ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 4, с. 148-157
УДК 551.463.7
РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ВЕРТИКАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ
© 2015 г. С. М. Коротаев1, Н. М. Буднев2, В. О. Сердюк1, В. Л. Зурбанов2, Р. Р. Миргазов2, В. А. Мачинин1, Е. О. Киктенко1, В. Б. Бузин3, А. В. Новыш1, И. А. Портянская2
Центр геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Троицк 2Научно-исследовательский институт прикладной физики Иркутского государственного университета, г. Иркутск 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Троицк
E-mail: korotaev@igemi.troitsk.ru Поступила в редакцию 30.09.2013 г.
Электрическое поле гидросферы может быть использовано для мониторинга различных геофизических процессов. Проблема реализации такого мониторинга ставит задачи достижения необходимой достоверности измерений поля и разделения вкладов различных источников. Настоящая работа направлена на их поэтапное решение в эксперименте по мониторингу вертикальной компоненты электрического поля в озере Байкал. Ранее такой мониторинг уже велся, однако недостаточная надежность измерительной установки сдерживала прогресс в интерпретации данных. Разработана новая установка, обеспечивающая, наряду с высокой точностью измерений, контроль потенциальных шумообразующих факторов. Впервые выполнено сопоставление поля индуцированного течениями с прямыми измерениями его скорости. Анализ первых результатов показывает доминирующую роль поля течений на периодах до 10 сут. С другой стороны, этот анализ указывает на неясность природы вариаций с периодом около 100 сут.
DOI: 10.7868/S0002333715040043
ВВЕДЕНИЕ
Электрическое поле гидросферы является чувствительным индикатором различных динамических и физико-химических процессов в самой гидросфере, подстилающей литосфере, атмосфере и в удаленных областях, вплоть до магнитосферы-ге-лиосферы. Эта универсальность реакции электромагнитного поля является достоинством, позволяющим использовать его для косвенного изучения множества процессов недоступных прямому измерению, одновременно и недостатком из-за проблемы разделения вкладов различных источников. Проблема может быть решена в случае целенаправленного эксперимента с контролем возможно большей части источников поля.
Известно, что электрическое поле в водных бассейнах является суперпозицией двух основных полей сопоставимой величины и перекрывающихся по частотному спектру - теллурического поля, возбуждаемого геомагнитными вариациями внешнего происхождения и магнитогидроди-намического поля течений. Другие известные виды полей (электрокинетическое, диффузионное и пр.) проявляются либо очень локально, либо эпизодически. Все это относится к диапазону периодов до нескольких суток, более длиннопериодные вариации изучены значительно хуже. Во-первых, стимулом большинства исследований были магнитотел-лурические зондирования, а на длинных периодах
теллурическое поле становится пренебрежимо малым, поэтому и другие поля как помехи не интересны для зондирований. Во вторых, погрешности от вариаций собственных потенциалов измерительных электродов ставят под вопрос достоверность длин-нопериодных измерений даже на базах в сотни километров [81ацтзку й а1., 2005].
Контроль источников означает исключение вклада некоторых из них в измеряемый сигнал или прямое измерение активности генерирующего процесса. В настоящей работе ставится задача мониторинга полей, связанных с крупномасштабными процессами в гидросфере и прилегающих к ней геосферах, поэтому теллурическое поле является помехой. Известно, что вдали от локальных геоэлектрических неоднородностей теллурическая составляющая в вертикальной компоненте электрического поля отсутствует [Бердичевский и др., 1971]. Поэтому эксперимент сосредоточен на измерении именно вертикальной компоненты. Для использования интегрирующего свойства поля, подчеркивающего крупномасштабный характер процесса (охватывающего всю водную толщу), необходимы измерения на максимально возможной базе: поверхность-дно. Известно также, что вертикальная компонента поля течений не зависит от геоэлектрического разреза и точно определяется средней по вертикали скоростью. Прямые измерения последней почти не выполняются в гидроло-
гии из-за крайней громоздкости (необходимости установки точечных измерителей на десятках горизонтов) и именно поэтому замена прямых измерений электрическими так привлекательна. Однако из-за возможного существования длиннопериод-ных вариаций поля иной природы контроль активности течений прямыми измерениями хотя бы на одном репрезентативном горизонте в эксперименте необходим.
Вместе с тем, измерения вертикальной компоненты на длинной базе наиболее подвержены опасности сильных искажений уже на периодах более часа за счет вариаций собственных потенциалов электродов, работающих в резко различных условиях. Возможны также искажения за счет наклонов измерительной линии и помехи от проекции горизонтальной компоненты поля. Корректный эксперимент требует минимизации и контроля этих шумообразующих факторов. Постановка таких исследований на озере Байкал наиболее эффективна благодаря его уникальным особенностям как природной лаборатории, позволяющим проведение эксперимента в постановке, практически невозможной в других регионах.
Изучение естественного электрического поля в оз. Байкал выполнялось с перерывами в течение многих лет. Эти исследования преследовали разные цели. Так, пионер электромагнитных исследований Байкала П.А. Виноградов, впервые выполнивший 3-х компонентные наблюдения электрического поля на акватории озера, исследовал, главным образом, микропульсации [Виноградов, 1959; 1960]. Им были подмечены некоторые важные особенности электрического поля под водой и, в частности, затухание поля с глубиной, влияние батиметрических и геологических неодно-родностей, а также возможное влияние течений на измеренные сигналы. Изучение короткопери-одных вариаций были продолжены другими исследователями [Бузевич и др., 1984].
Изучение длиннопериодных вариаций электрического поля в водной толще Байкала начато позже. С 2003 по 2010 г. в юго-западной части озера Байкал, на базе глубоководной нейтринной обсерватории ИЯИ РАН коллективом исследователей, включая авторов настоящей статьи, велся эксперимент по мониторингу вертикальной компоненты электрического поля Е. Эксперимент не имел аналогов практике морских электромагнитных исследований, как по величине вертикальной базы (более километра, с почти полным использованием расстояния поверхность—дно), так и по длительности — несмотря на технические перерывы, получено четыре годовые серии измерений. Точка измерений выбрана в 10 км от ближайшего берега при глубине озера в месте измерений 1367 м (51°721 с.ш., 104°416 в.д.). Выбор точки наблюдений диктовался требованием гарантированного в пределах точно-
сти измерений отсутствия вертикальной компоненты теллурического поля в соответствии с результатами математического моделирования для данного района [РапкгаШу й а1., 2004]. Отметим, что в цитируемой работе дно котловины Байкала считалось плоским. Действительно в радиусе 8 км от точки наблюдений дно практически плоское, но, разумеется, результат моделирования нуждается в экспериментальной проверке.
Эксперимент показал, что теллурическая составляющая в вертикальной компоненте электрического поля здесь действительно не заметна на фоне магнитогидродинамической составляющей (отсутствуют гармоники Sq и возмущения во время магнитных бурь; в абсолютных единицах — менее 0.1 мВ/км). Наблюдаемое поле является суперпозицией поля индуцированного течениями (в диапазоне периодов примерно от 14 ч до 10 сут) и поля большой амплитуды на периодах десятки-сотни суток, о природе которого можно было судить только гипотетически [Шнеер и др., 2007; Коротаев и др., 2011а; 2013]. Кроме того, при близком (16.4 км от эпицентра) землетрясении магнитудой 6 баллов наблюдались сильные поля, связанные с их непосредственным эффектом, предвестниками и длительной релаксацией [Коротаев и др., 2011б].
Однако эти результаты могут быть поставлены под количественное и даже качественное сомнение, поскольку идея мониторинга была воплощена в простейшем виде: не минимизировались и не контролировались шумообразующие факторы, не измерялось ни течение, ни магнитное поле. Поэтому оставалось неясным, с чем связано и насколько принципиально ограничение сверху периодов доминирования поля течения примерно 10 сут, являются ли обнаруженные длиннопериод-ные вариации поля действительно важным геофизическим фактом, требующим нетривиального объяснения, или это артефакт? Наконец, несмотря на важность обнаруженных краткосрочных предвестников землетрясения без достоверного знания фона нельзя рассчитывать на их обнаружение на не столь близких расстояниях и, следовательно, на широкую практическую применимость.
Поэтому была поставлена задача радикального повышения строгости эксперимента. Настоящая статья посвящена описанию достигнутого прогресса в этом направлении, первым полученным результатам и их сопоставлению с предыдущими.
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Прежде всего, отметим слабые места предыдущей техники и методики эксперимента (подробно описанной в статье [Шнеер и др., 2007], потенциально опасные при интерпретации результатов или ограничивающих возможности исследования.
Использовались простейшие свинцовые электроды. Хотя свинец действительно лучший материал для электродов в пресной воде, даже минимальные изменения ионного состава могут вызвать значительные изменения собственных потенциалов. С другой стороны, несмотря на низкий температурный коэффициент свинца, температурные вариации в верхнем (деятельном) слое могут привести к неконтролируемой помехе за счет изменения собственного потенциала приповерхностного электрода.
Хотя визуальный контроль положения электродной линии при ее спуске/подъеме в марте каждого года неизменно показывал ее практически точное вертикальное положение (с точностью до градуса), нельзя было исключить, что в другие сезоны линия могла быть заметно наклонена течением, и тем самым в с
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.