ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 3, с. 3-20
УДК 550.837
О ЗАВИСИМОСТИ СЕЗОННЫХ ВАРИАЦИЙ КАЖУЩЕГОСЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ ГЛУБИНЫ ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2004 г. А. В. Дещеревский, А. Я. Сидорин
Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта, г. Москва Поступила в редакцию 10.07.2002 г.
Изучается зависимость амплитуды и фазы сезонных вариаций кажущегося сопротивления от разноса питающих электродов, т.е. от глубинности зондирований. Проанализирован уникальный материал многолетнего мониторинга кажущегося сопротивления земной коры на Гармском полигоне, использованы данные, полученные на 21 разносе от 6 до 6000 м. Установлен факт необычного немонотонного затухания амплитуды сезонных вариаций кажущегося сопротивления с ростом разноса. Фазовая зависимость также имеет сложный немонотонный характер. Обсуждается возможный генезис наблюденного эффекта.
ВВЕДЕНИЕ
Во временной структуре многих геофизических полей доминирующую роль играют повторяющиеся из года в год регулярные или квазирегулярные вариации, называемые обычно сезонными. При мониторинге кажущегося электрического сопротивления, проводимом с целью поиска возможных предвестников землетрясений и решения ряда других прикладных задач, сезонные вариации рассматриваются как одна из основных помех. В то же время считается, что они быстро затухают с глубиной, и поэтому для их эффективного подавления достаточно использовать зондирующие установки с большими разносами. При этом для выбора разноса, обеспечивающего подавление амплитуды сезонных вариаций до заданной величины, используются формулы, полученные для однородной среды [Тихонов, Самарский, 1972; Барсуков, Сорокин, 1973; Fitterman, Madden, 1977].
Однако практически используемые при наблюдениях разносы не столь велики, чтобы полностью устранить влияние поверхностных эффектов даже при зондировании однородной среды, особенно при высокоточных наблюдениях. Кроме того, реальная геоэлектрическая структура земной коры много сложнее сильно упрощенных модельных представлений о ней, а это принципиальным образом меняет ситуацию. Так, в работах [Сидорин и др., 1979; Журавлев и др., 1997] теоретически показано, что при дипольных зондированиях расположение питающего или приемного диполя в пределах локальной геоэлектрической неоднородности может приводить к существенному увеличению (по сравнению с однородной средой) амплитуды экзогенных вариаций при сколь угодно больших разносах между диполями.
В геофизической практике такая ситуация представляется совсем не экзотической. Напри-
мер, при наблюдениях в горных условиях диполи обычно располагаются в небольших долинах, которые как раз и являются локальными неоднород-ностями. Поэтому изучение зависимости характеристик сезонных вариаций кажущегося сопротивления от разноса - задача весьма актуальная. Как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения важно знать, как меняются параметры сезонных вариаций с увеличением разноса, в частности насколько быстро при увеличении разноса уменьшается амплитуда вариаций и как меняется их фаза.
В настоящей работе представлены результаты целенаправленного методического эксперимента по изучению закономерностей проявления сезонных вариаций кажущегося сопротивления, проводившегося на Гармском геофизическом полигоне [Сидорин, 1990]. Впервые приводятся обобщенные данные геофизических, гидрогеохимических и некоторых других наблюдений. Эти данные необходимы для правильной интерпретации результатов, полученных не только в настоящей работе, но и в других публикациях.
Эксперимент состоял в многолетнем мониторинге кажущегося сопротивления методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) с большим набором разносов. Изучалась зависимость амплитуды и фазы сезонных вариаций кажущегося сопротивления от разноса питающих электродов, т.е. от глубинности зондирований. Для анализа привлечен уникальный материал многолетнего мониторинга кажущегося сопротивления земной коры на 21 разносе от 6 до 6000 м. Этот материал включает не рассматривавшиеся ранее совместно данные режимных ВЭЗ, выполненных на станции Хазор-Чашма Гармского полигона, и данные эксперимента по дипольному электрическому зондированию (ДЭЗ) земной
коры, проведенного ранее под руководством О.М. Барсукова [Барсуков, Сорокин, 1973].
ИЗУЧЕННОСТЬ ВОПРОСА
Экспериментальный материал, который можно было бы использовать для практического исследования зависимости характеристик сезонных вариаций кажущегося сопротивления от разноса, крайне ограничен. Так, в работе [Квятковский, 1975] отмечается, что сезонные изменения электрического сопротивления горных пород наиболее сильно проявляются в приповерхностном слое до глубины 1.5-3 м, но никаких количественных характеристик этих изменений не приводится. Вариации кажущегося сопротивления сезонного характера, описанные в работах [Yamazaki, 1968; Bufe et al., 1973; Fitterman, Madden, 1977], наблюдались лишь на каком-то одном разносе.
Широкое распространение метод кажущегося сопротивления получил в исследованиях по прогнозу землетрясений в Китае. В работе [Qian, 1985] приведены длительные ряды наблюдений, выявлены аномальные вариации кажущегося сопротивления перед сильнейшими землетрясениями, обсуждаются возможные причины этих вариаций. Вместе с тем анализ приведенного иллюстративного материала показывает, что рассматриваемые в этой работе вариации кажущегося сопротивления в значительной степени носят сезонный характер. Поэтому численные оценки амплитуды выявленных предвестников выглядят малонадежными, а сделанные автором выводы представляются не очень обоснованными.
Понимая необходимость компенсации сезонного фактора, автор обсуждаемой работы [Qian, 1985] предложил максимально увеличивать расстояние между электродами. Однако при таком подходе неясно, как интерпретировать уже накопленный обширный экспериментальный материал, полученный при зондировании с небольшими разносами. Кроме того, без предварительного изучения свойств сезонных вариаций невозможно правильно определить требуемую величину разноса зондирующей установки.
Детальное исследование сезонных вариаций кажущегося сопротивления по результатам режимных наблюдений на почти 100 станциях предпринято в работе [Fuye et al., 1988]. Разнос питающих электродов на разных станциях составлял от нескольких метров до нескольких сотен метров. Оказалось, что явные сезонные вариации, превышающие 2% от среднего значения кажущегося сопротивления, наблюдаются примерно на половине станций. Амплитуда вариаций обычно составляет несколько процентов, но на некоторых станциях возрастает до 20-30%. Отмечается, что сезонные вариации кажущегося сопротивления имеют сложную форму, меняющуюся от года к
году, и амплитуду, сравнимую с амплитудой вариаций, интерпретируемых в качестве возможных предвестников землетрясений. По мнению авторов указанной работы, несмотря на то, что систематический анализ сезонных эффектов должен быть обязательным элементом работ по поиску предвестников землетрясений, внимание, уделявшееся этому вопросу ранее, было явно недостаточным.
На Фрунзенском (ныне Бишкекском) полигоне в Киргизии, где мониторинг кажущегося сопротивления проводился одновременно со свето-дальномерными наблюдениями, выполнен совместный анализ этих параметров и сейсмичности [Трапезников и др., 1989]. В результате авторы пришли к выводу, что сейсмичность, изменения электрического сопротивления горных пород, достигавшие 50% и более, и длин линий при свето-дальномерных измерениях определяются региональными геодинамическими процессами. Однако наблюденные вариации кажущегося сопротивления, особенно при малоглубинном зондировании, имеют четко выраженную сезонную составляющую, поэтому их авторская интерпретация в качестве эндогенных представляется весьма спорной.
Наиболее детальные исследования экзогенных эффектов были выполнены на Гармском полигоне. Так, результаты зондирований самой верхней части геоэлектрического разреза (использовались установки Шлюмберже с максимальным разносом питающих электродов AB = 50 м) в районе станции Гарм хорошо согласуются [Сидорин, 1984; 1990] с теоретическими палетками из работы [Fitterman, Madden, 1977]. Эти палетки описывают зависимость амплитуды сезонной вариации кажущегося сопротивления от разноса электродов для однородной среды, подверженной воздействию различных внешних факторов, например температурных, и позволяют оценить амплитуду сезонных вариаций кажущегося сопротивления на больших разносах, если для малых разносов такая амплитуда известна.
Аналогичный вывод о хорошем согласии экспериментальных результатов и теоретических оценок был сделан и для зондирований с разносами до AB = 100 м на станции Хазор-Чашма Гармского полигона, расположенной в существенно отличных от станции Гарм условиях [Сидорин и др., 1983].
В работе [Сидорин, 1986] на основе анализа результатов прецизионных измерений электрического сопротивления на Гармском полигоне с разносом AB = 3000 м было продемонстрировано четкое совпадение ежегодных весенних аномальных вариаций кажущегося сопротивления с периодом интенсивного таяния снега продолжительностью 2-3 мес. Ввиду краткости этого периода аппроксимация сезонных эффектов синусоидальной функцией оказывается абсолютно неадекватной реальности. Для выделения аномальных ва-
риаций кажущегося сопротивления, предваряющих сильное близкое землетрясение 26.02.1983 г., момент начала аномалии был сопоставлен с моментом начала таяния снега, и в результате был сделан вывод об эндогенной природе обнаруженной аномалии. А.В. Дещеревский и А.Я. Сидорин в работе [1996] рассмотрели возможные подходы к фильтрации сезонной составляющей кажущегося сопротивления, а в работе [2000а] убедительно доказали наличие значительной по амплитуде сезонной составляющей временного ряда результатов дипольных зондирований земной коры Гармского полигона с разносом AB около 6 км [Барсуков, Сорокин, 1973].
В целом анализ работ по мониторингу кажущегося сопротивления с целью поиска возможных предвестников землетрясений убедительно показывает, с одной стороны, исключительно важную роль учета сезонных вариаций кажущегося сопротивления при т
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.