ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 5, с. 598-601
= ГЕОФИЗИКА
УДК 550.3;550.4
ГЕОМАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ЗОНЕ РАЗЛОМА
© 2015 г. Т. В. Лосева, А. А. Спивак, М. Ю. Кузьмичева
Представлено академиком РАН В.В. Адушкиным 24.04.2014 г. Поступило 25.04.2014 г.
Предложена численная модель влияния уровня подземных вод на геомагнитные вариации на поверхности земной коры при наличии вертикальной неоднородности в виде разломной зоны. Предполагается, что эффект связан с изменением электродинамических характеристик приповерхностного слоя грунта в результате сезонных вариаций мощности безнапорного водоносного горизонта. В результате численного ЗБ-моделирования процесса показано, что при определенном выборе параметров задачи изменение уровня подземных вод в безнапорном горизонте вызывает синхронные вариации магнитного типпера с амплитудой, соответствующей значениям, полученным в результате инструментальных наблюдений.
БО1: 10.7868/80869565215230206
Геомагнитное поле содержит информацию о геодинамических процессах, протекающих на приповерхностных участках земной коры [1, 2]. Разработка подходов к установлению количественных соотношений между параметрами геодинамических процессов и геомагнитными вариациями представляет значительный интерес для разработки новых и совершенствования традиционных методов и способов диагностики геодинамического состояния земной коры и отдельных массивов горных пород на основе анализа геофизических полей разной природы. Результаты инструментальных наблюдений свидетельствуют о возможном влиянии уровня подземных вод на геомагнитные вариации [3] на поверхности земной коры.
В настоящем сообщении предложена численная модель влияния уровня подземных вод на геомагнитные вариации на поверхности земной коры при наличии вертикальной неоднородности в виде разломной зоны. Предполагается, что эффект связан с изменением электродинамических характеристик приповерхностного слоя грунта в результате сезонных вариаций мощности безнапорного водоносного горизонта. В результате численного 3Э-моделирования процесса показано, что при опре-
Институт динамики геосфер Российской Академии наук, Москва Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской обл. E-mail: spivak@idg.chph.ras.ru
деленном выборе параметров задачи изменение уровня подземных вод в безнапорном горизонте вызывает синхронные вариации магнитного тип-пера с амплитудой, соответствующей значениям, полученным в результате инструментальных наблюдений.
Одним из важных факторов, определяющих механические и электромагнитные свойства среды, а также закономерности развития геодинамических процессов, является водонасыщенность горных пород. Известно, например, что уровень увлажненности горных пород заметно влияет на их прочностные и деформационные характеристики, а водонасыщенность массивов горных пород определяет их механическую устойчивость в целом [4, 5].
При наличии безнапорного водоносного горизонта вблизи земной поверхности степень обводненности среды допустимо характеризовать уровнем поземных вод. Действительно, в этом случае изменение уровня подземных вод в открытой скважине напрямую определяет мощность слоя обводненных горных пород и, следовательно, эффективную электрическую проводимость среды.
При установлении возможного влияния электропроводности подповерхностных структур на вариации геомагнитного поля рассматривались значения передаточной функции — вектора магнитного типпера — магнитовариационного параметра, весьма чувствительного к изменениям свойств твердой среды [6—8].
Комплексные коэффициенты типпера и отражают связь величины напряженности
вертикальной компоненты магнитного поля с его горизонтальными компонентами:
Н, = WXZHX + Жу,Иу, (1)
где Нх, Ну и Иг — компоненты регистрируемого магнитного поля, а Жхг и Жуг — компоненты индукционной матрицы (вектора Визе—Паркинсона).
Магнитуда типпера (абсолютное значение) задается выражением
Т = . (2)
Величины Жхг и не зависят от фактического источника тока, а определяются электропроводностью среды и частотой излучения источника.
Численное 3Э-моделирование электродинамического процесса проводилось в рамках идеологии магнитотеллурического зондирования (МТЗ) [9, 10]. В качестве источника электромагнитного поля рассматривался источник электромагнитных волн в ионосфере естественного происхожде-
*
ния .
Источник электромагнитного возмущения индуцирует в земной коре электрические токи, величина которых пропорциональна ее электропроводности. Наведенные токи, в свою очередь, генерируют магнитные поля в приповерхностной зоне.
Рассматриваемый электродинамический процесс описывается системой уравнений Максвелла:
rot H = j + —, divB = 0, B = ^o^H, D = 6 0sE,
dt
rot E = -
dB
dt'
div D = p,
(3)
2000 м
j = j а + j 0, j а
Здесь I — время, Е — вектор напряженности электрического поля, В — вектор магнитной индукции, р — плотность объемного заряда, j0 — плотность стороннего тока, вызванного механическими процессами в разломе, а — удельная электрическая проводимость среды, е0 и ц0—электрическая и магнитная постоянные, е и ц — соответственно относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.
Предполагалось, что источник электромагнитного возмущения расположен на значительном удалении от рассматриваемой области. В этом случае возмущение представляет собой плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся вертикально вниз от ионосферы к земной поверхности.
При численном моделировании использовался подход, основанный на декомпозиции падающей плоской волны на две волны с перпендикулярной поляризацией [2]. При этом предполагалось, что введенные в рассмотрение волны характеризуются
В качестве такого источника могут выступать, например, грозовая активность Земли либо активность Солнца.
Рис. 1. Схема области для численного расчета: 1 — разломная зона, 2 — безнапорный водоносный горизонт, 3 — водоносный горизонт в пределах разлома, 4 — поверхность земной коры.
пространственной однородностью, а их изменение во времени описывается гармоническим законом. Считалось также, что другие источники электромагнитных возмущений отсутствуют.
Также предполагалось: 1) выполняется закон Ома; 2) изменения магнитной и электрической проницаемости среды пренебрежимо малы по сравнению с их величинами; 3) токи смещения пренебрежимо малы по сравнению с токами проводимости; 4) основное влияние на геомагнитные вариации на поверхности земной коры оказывает приповерхностная зона, включающая вертикальный разлом.
Электромагнитные поля как решения уравнений Максвелла могут быть представлены в виде линейной комбинации гармонических волн:
E = E 0e'(fflt+kr), B = B 0e''(fflt+kr). Здесь ю — угловая частота электромагнитных ос-цилляций, k — волновой вектор, г — радиус-вектор, E0 и В0 — амплитуды электрического и магнитного полей соответственно.
С учетом сделанных выше предположений получаем:
rot H = ctE + j 0, divH = 0,
rot E = /юц 0H, div E = —.
S0
В отсутствие объемного заряда правая часть последнего уравнения полученной системы обнуляется, и решения системы зависят только от угловой частоты ю и электропроводности а.
Переходя к магнитному векторному потенциалу A (rot A = B), получаем (с учетом E = -i®A) уравнение
ma A + rotH = j0. (4)
Численные расчеты выполнялись для модельной подповерхностной структуры, включающей области с различными значениями электропро-
600
ЛОСЕВА и др.
X, м 1000
500
-500
-1000
-500
500
т
0.30 0.26 0.22 0.18 0.14 0.10 0.06 0.02
1000
У, м
Рис. 2. Распределение магнитуды типпера магнитного поля Т в горизонтальной плоскости на поверхности земной коры (форма подповерхностной неоднородности (белый контур) отчетливо проявляется в изменении типпера).
к, м 141.5
141.4
141.3
141.2
141.1
141.0
Т 0.282
0.278 19.01. 2010 г
07.08. 2010 г.
23.02. 2011 г. Дата
11.09. 2011 г.
Рис. 3. Синхронные вариации уровня подземных вод к в безнапорном водоносном горизонте [3] и магнитного типпера Т.
0
0
водности а, вертикальный разрез которой приведен на рис. 1.
Полный размер расчетной области (фоновое значение а = 0.0002 См/м) составлял величину 2000 х 2000 х 340 м, тектонический разлом с а = = 0.01 См/м моделировался прямоугольным параллелепипедом шириной 500 м, длиной 1000 м и глубиной 280 м. Уровень подземных вод к с а = 2 См/м вне разлома и а = 1 См/м внутри него отсчиты-вался от уровня моря и менялся в соответствии с данными измерений [3]. Водоупор безнапорного водоносного горизонта располагался на глубине 56.6 м.
Частота электромагнитного излучения источника (две плоские волны с перпендикулярной поляризацией) оценивалась по величине скин-слоя, характеризующего глубину проникновения поля в среду, с использованием характерных значений параметров. По результатам оценок частота источника принималась в диапазоне 1-10 Гц.
При численном моделировании решалась система уравнений Максвелла в частотной области для обеих плоских волн. При этом для граней, параллельных направлению Н, задавали периодические граничные условия, а для перпендикулярных граней - условие непрерывности тангенциальной составляющей магнитного поля. На нижней границе области задавалось условие магнитной изоляции, на второй границе - величина Н.
В качестве примера на рис. 2 приведено распределение магнитуды типпера магнитного поля Т в горизонтальной плоскости на поверхности земной коры для точки, помеченной на рис. 2 звез-
дочкой (к = 141.29 м, частота электромагнитного импульса источника 10 Гц).
На рис. 3 приведены зависимости от времени уровня подземных вод в безнапорном горизонте за период 2010-2011 гг. [3] и магнитуды типпера магнитного поля, полученные в результате численного моделирования. Данные рис. 3 свидетельствуют о выраженной согласованности вариаций магнитного типпера с уровнем безнапорных подземных вод. Аналогичная картина наблюдается и для других частот источника из рассматриваемого диапазона 1-10 Гц.
Результаты выполненных исследований показывают, что изменение уровня безнапорного водоносного горизонта при наличии вертик
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.