ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2011, № 5, с. 3-16
УДК 550.837
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ В РАЙОНЕ ПУНКТА КОМПЛЕКСНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ "КАРЫМШИНА"
(ЮЖНАЯ КАМЧАТКА)
© 2011 г. Ю. Ф. Мороз, Т. А. Мороз
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: morozyf@kscnet.ru Поступила в редакцию 08.04.2009 г.
Рассмотрены особенности в поведении электромагнитного поля Земли, глубинного геоэлектрического разреза и динамики электропроводности среды. В основу анализа положены кривые МТЗ по направлениям, отвечающим в первом приближении простиранию и вкрест простирания южной Камчатки. Показано, что продольные и поперечные кривые МТЗ подвержены влиянию локальных и региональных геоэлектрических неоднородностей. Береговой эффект изучен с помощью трехмерного численного моделирования. Выявленные закономерности использованы для интерпретации обобщенных кривых МТЗ. Полученные параметры геоэлектрического разреза уточнены с помощью редуцирования продольной кривой к стандартной кривой кажущегося электрического сопротивления. Результаты интерпретации требуют уточнения по мере накопления геоэлектрической информации. Динамика электропроводности литосферы изучена по данным мониторинга магни-тотеллурического импеданса в 2005—2008 гг. в диапазоне периодов от первых сотен до первых тысяч секунд. Основным для анализа принят поперечный импеданс и его фаза. В поведении фазы импеданса выявлены аномальные бухтообразные возмущения, которые могут быть связаны с землетрясениями. Обсуждается возможная природа аномалий фазы импеданса.
ВВЕДЕНИЕ
Электромагнитное поле Земли содержит информацию о физическом состоянии горных пород. Оно имеет внешние и внутренние источники. Внешние источники связываются с ионосферными и магни-тосферными токами, возникающими за счет солнечной энергии. Внешнее электромагнитное поле индуцирует в Земле вторичное поле, изучение которого на земной поверхности дает возможность судить об электропроводности геологической среды. Внутриземные источники возникают за счет электрохимических, электрокинетических, пьезоэлектрических и многих других процессов. Эти источники создают электрическое поле, которое позволяет судить о физико-химических явлениях, протекающих в геологических средах. Таким образом, по данным мониторинга электромагнитного поля Земли можно получить представление об электропроводности геологической среды и физико-химических явлениях, протекающих в ней.
Следует отметить, что проблеме изучения электромагнитного поля Земли в связи с землетрясениями посвящено большое количество публикаций в нашей стране и за рубежом [Мороз, Напылова, 1993; Мороз, 1996; Мороз и др., 2007; Рикитаке, 1979; Соболев, Морозов, 1970; Nagao et al., 2000; Noritomi, 1978; Mogi et al., 2000; Park, 1991; Park, Fitterman, 1990; Rikitake, Yamazaki, 1985; Sheng, Chen, 1988; Var-
0^508 е! а1., 1993]. Однако, крайне мало данных по изучению динамики электропроводности литосферы с помощью магнитотеллурических методов. На Камчатке подобные исследования были начаты только в начале 90-х годов прошлого века [Мороз, Напылова, 1993]. Затем они получили развитие в работах [Мороз и др., 2006, 2007, 2008]. Большой научный интерес представляют данные многолетнего электромагнитного мониторинга, осуществляемого в обс. Карымшина на Южной Камчатке (рис. 1). Информация получена с использованием систем измерительных линий различной длины и высокой дискретностью регистраций вариаций электрического поля. Наряду с этим одновременно осуществляется регистрация вариаций геомагнитного поля. Полученные данные дают возможность с привлечением современных методик и технологий выполнить интерпретацию вариаций электромагнитного поля и получить представление о геоэлектрической модели геологической среды в районе обс. Карымшина. На этой основе с использованием специально созданных программ рассмотрена возможность изучения динамики электропроводности литосферы. Важное внимание уделено исследованию не только амплитудных, но и фазовых характеристик импеданса (комплексного электрического сопротивления среды). Принятые подходы позволяют получить принципиально новую информацию о геоэлектрических свойствах геологической среды
156 159 162 165
Рис. 1. Схема расположения пункта наблюдений.
1 — пункт Карымшина; 2 — эпицентры близких землетрясений с К > 12.
сейсмоактивного района. Этой теме и посвящена настоящая статья.
КРАТКАЯ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА
Район исследований характеризуется сложным геологическим строением. Здесь в отличие от других районов полуострова, где преобладают тектонические сооружения северо-восточного простирания, развиты поперечные структуры северо-западной ориентировки, получившие название Малко-Пет-ропавловской зоны дислокаций [Геология ..., 1964]. Она включает Начикинский грабен и ряд других структур. О глубинных структурах северо-западной ориентировки свидетельствуют магнитное и гравитационное поля [Ривош, 1963; Декин, Зубин, 1976]. В поведении полей хорошо выражены зоны градиентов, вытянутых в северо-западном направлении. Пункт наблюдения Карымшина расположен в подобной зоне, связываемой с крупным глубинным разломом, разграничивающим крупные тектонические сооружения. Эти особенности геофизических полей нашли отражение на тектонической схеме Южной Камчатки [Апрелков, 1971]. Фрагмент этой схемы представлен на рис. 2. Здесь выделяется На-чикинская складчатая зона, отвечающая в общих
чертах Начикинскому грабену [Геология ..., 1964]. Последняя по указанному глубинному разлому граничит с Южно-Камчатским антиклинорием с наложенным Восточно-Камчатским вулканическим поясом. Она характеризуется повышенной напряженностью магнитного и гравитационного полей, что отражает наличие в разрезе более плотных и намагниченных пород. Это связано с тем, что здесь приближены к дневной поверхности и выходят на поверхность более древние метаморфизованные породы, представляющие собой, по-видимому, фундамент. В пределах зоны выделяется ряд неотектонических структур, имеющих северо-восточное простирание. Среди них отмечается грабеновая структура долины реки Паратунка, недалеко от которой расположен пункт наблюдений Карымшина.
Геоэлектрический разрез по обобщенным данным электромагнитных исследований в рассматриваемом районе представляется следующим [Мороз, 1991]. Верхняя часть разреза сложена четвертичными вулканогенно-осадочными образованиями. Она имеет мощность первые сотни метров, удельное электрическое сопротивление от первых десятков — Ом • м до тысячи и более Ом • м. Ниже залегают кайнозойские вулканогенно-осадочные образования мощностью до 1.5 км с удельным электрическим со-
5 км 0 5 10 15 км
I_I_I_I_I
Рис. 2. Тектоническая схема района [Апрелков, 1971].
I — Начикинская складчато-глыбовая зона; II — Южно — Камчатский антиклинорий, III — Восточно-Камчатский вулканический пояс; 1—5 — ярусы: 1 — мезозойский, 2 — олигоцен-нижнемиоценовый, 3 — среднемиоценовый, 4 — верхненеогеновый, 5 — четвертичный; 6 — миоценовые гранитоиды; 7 — оси антиклиналий; 8 — крупные разломы; 9 — пункт наблюдения электромагнитного поля.
5
противлением первые десятки Ом • м. В литосфере на глубинах 20—40 км выделяется слой повышенной электропроводности. Удельное электрическое сопротивление слоя составляет первые десятки Ом • м. Верхняя мантия на глубинах 100—200 км содержит астеносферный слой повышенной электропроводности.
МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Пункт наблюдений заложен сотрудниками Токайского Университета Японии и Камчатской
опытно—методической сейсмологической партией Геофизической службы РАН в 2001 г. С 2005 года имеются непрерывные временные ряды разности потенциалов электрического поля, которые могут быть использованы для анализа.
Для измерений электрического поля использована Г-образная установка с центральным (нулевым) электродом (рис. 3). Приемные линии ориентированы в направлении С—Ю и З—В. Длина линий 01 и 04 - 80 м, 02 и 05 - 240 м; 03 и 06 - 480 м. В качестве заземлений использованы свинцовые электроды, опущенные на глубину 2-3 м. Измерения разности потенциалов электрического поля производятся с
с
ряды использованы для изучения геоэлектрического разреза и динамики электрического сопротивления литосферы в п. Карымшина с 2005 по 2008 гг.
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
В основе зондирования лежит соотношение между горизонтальными векторами электрического и магнитного полей в точке на земной поверхности
[Бурдичевский, 1968].
Нгор. = [2]ИГ0р_, где [г] =
7 7
^хх ^ху
7 7
ух уу
6 5 4 0
100 м
I_I
Рис. 3. Схема расположения измерительных линий электрического поля в п. Карымшина. Цифрами обозначены номера электродов. Масштаб приведен для измерительных линий.
помощью прибора "ПАТАМАЯК" [Тоги Мо§1 й а1., 2000]. Запись осуществляется в цифровом виде с дискретностью 1 секунда. Полученная информация поступает в центр обработки в г. Петропавловск-Камчатский.
Первичная обработка временных рядов разности потенциалов электрического поля сводится к редакции данных, выявлению технических сбоев, интерполяции, осреднению, масштабированию и т.д. В результате обработки формируется банк данных, который содержит временные ряды по годам, месяцам, суткам. На рис. 4 в качестве примера приведены графики напряженности электрического поля для временного интервала равным 5000 с. На нем хорошо видно, что напряженность электрического поля в направлении С—Ю, заметно меньше, чем в направлении З—В. Это различие, как будет показано ниже, связано с геоэлектрической региональной неоднородностью. Также следует отметить различие напряженностей электрического поля на приемных линиях одного направления, но разной длины, что обусловлено влиянием локальных геоэлектрических неоднородностей.
Для более глубокой обработки данных создана специальная программа определения параметров, связанных с электропроводностью среды и другими физическими процессами. Она автоматически из банка данных, формирует синхронные временные ряды, электрического и геомагнитного полей заданной продолжительности. Полученные
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.