ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 4, с. 3-13
УДК 550837
СВЯЗЬ АНОМАЛИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЛИТОСФЕРЫ С ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ НА КАМЧАТКЕ © 2012 г. Ю. Ф. Мороз, Т. А. Мороз
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский E-mail: morozyf@kscnet.ru; moroz@irk.ru Поступила в редакцию 04.06.2010 г.
По данным многолетнего электромагнитного мониторинга изучена динамика электропроводности среды и электрического поля внутриземных источников. Информация об электропроводности среды получена по магнитотеллурическим передаточным функциям (тензор импеданса и теллурический тензор). Электрическое поле внутриземных источников выделено путем фильтрации вариаций наблюденного электрического поля Земли. В поведении магнитотеллурических параметров и электрического поля внутриземных источников выявлены аномальные изменения, которые предположительно обусловлены землетрясениями. Аномалии, связанные с одним и тем же землетрясением, не совпадают по времени. Показано, что они вызваны процессами на различных глубинах. Приповерхностные аномалии предваряют сильное землетрясение за несколько месяцев, а глубинная его сопровождает. Обсуждается возможная природа выявленных аномалий.
Ключевые слова: электропроводность, тензор импеданса, магнитный типпер, геоэлектрическая неоднородность.
Электрическое поле Земли содержит информацию об электропроводности геологической среды и внутриземных электрических источниках, связанных с электрохимическими, пьезоэлектрическими и многими другими процессами. Для получения этой информации из электрического поля выделяются вариации, связанные с внешними (ионосферными, магнитосферными) и внутризем-ными источниками. По вариациям электротеллурического и геомагнитного полей внешнего источника определяется электропроводность земной коры и верхней мантии. Если из электрического поля Земли исключить вариации электротеллурического поля, то мы получим электрическое поле, связанное с внутриземными источниками.
По указанной методике на Южной Камчатке в обс. Карымшина и в п. Тундровый выявлены аномальные изменения в поведении электропроводности литосферы и электрического поля внутри-земных источников. Эти аномальные изменения предваряют и сопровождают землетрясения. Они связаны с приповерхностными и глубинными процессами в земной коре. Аномалии не совпадают по времени для одного и того же землетрясения. Данному вопросу и посвящена настоящая статья.
КРАТКАЯ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА
Пункты наблюдений электромагнитного поля Земли расположены на побережье Авачинского залива (рис. 1). В этом районе развиты поперечные структуры северо-западной ориентировки, получившие название Малко-Петропавловской зоны дислокации [Геология....., 1964].
Пункт Тундровый находится в районе Ганаль-ского горст-антиклинория, где местами на поверхность выведены древние меловые, протерозойские метаморфические породы, с которыми связывается консолидированный фундамент, подстилающий кайнозойский осад очно-вулканогенный чехол. В районе пункта наблюдения мощность кайнозойского осадочно-вулканогенного чехла составляет 300 м, его удельное электрическое сопротивление 60 Ом • м. Верхне-меловой комплекс пород имеет удельное электрическое сопротивление в первые сотни Ом-м. В основании верхнемелового комплекса пород залегают мета-морфизованные породы фундамента с удельным электрическим сопротивлением в первые тысячи Ом • м.
Обсерватория Карымшина расположена в На-чикинской складчатой зоне, которая по крупному глубинному поперечному разлому граничит с Южно-Камчатским антиклинорием с наложенным
60
56
52
48
150
155
160
165
170
№ 1 2
3
4
5
6 7
дата
15.11.06
13.01.07 30.05.07
17.11.07
17.01.08
14.01.09
глубина магнитуда
29 8.3
10 8.2
120 6.4
17 5.7
40 5.3
82 5.5
11 5.5
Рис. 1. Схема расположения пунктов наблюдений электрического и геомагнитного полей и эпицентров землетрясений: 1 — пункты наблюдений электрического поля Земли; 2 — пункты наблюдений вариаций геомагнитного поля; 3 — эпицентры землетрясений с указанием даты и магнитуды. В таблице указаны даты землетрясений, глубина их гипоцентров и магнитуда.
Восточно-Камчатским вулканическим поясом. Зона характеризуется повышенной напряженностью магнитного и гравитационного полей, что отражает наличие в разрезе более плотных и намаг-
ниченных пород. Это обусловлено тем, что здесь приближены к дневной поверхности и местами выходят на поверхность более древние метамор-физованные породы домелового фундамента. Об-
серватория Карымшина находится вблизи неотектонической грабеновой структуры долины р. Па-ратунка. Кайнозойский осадочно-вулканогенный чехол имеет здесь мощность 1 км, удельное электрическое сопротивление 30 Ом м. Кристаллический фундамент находится на глубине 5 км. Удельное электрическое сопротивление фундамента составляет первые тысячи Ом м и более.
По обобщенным электромагнитным данным литосфера Южной Камчатки на глубинах 20— 40 км содержит слой повышенной электропроводности. Удельное электрическое сопротивление слоя составляет первые десятки Ом м. В верхней мантии на глубинах 100 — 200 км выделяется асте-носферный слой повышенной электропроводности [Мороз, 2008].
С
(а)
100 м
С
(б)
3
4 0
100 м
I_I
Рис. 2. Схемы расположения измерительных линий электрического поля Земли в п. Тундровый (а) и Карымшина (б). Цифрами обозначены номера электродов. Масштаб приведен для измерительных линий.
МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
В п. Тундровый и обс. Карымшина производится регистрация электрического поля Земли с дискретностью 10 и 1 с, соответственно. Системы измерительных линий МN изображены на рис. 2. В п. Тундровый они включают линии 1, 2 в направлении С—Ю и В—З, а также линии 3 и 4, ориентированные под азимутами 40 и 310°. Длина линий 1 — 97, 2 — 105, 3 — 65, 4 — 90 м. В обсерватории Карымшина использована Г-образная установка с центральным (нулевым) электродом. 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 в обоих пунктах использованы свинцовые электроды, опущенные на глубину 2 — 3 м. Измерения разности потенциалов электрического поля производятся с помощью автоматизированной цифровой аппаратуры. Данные передаются по радиоканалам в центр обработки (г. Петропавловск-Камчатский). Эксплуатация автоматизированных пунктов наблюдений электрического поля Земли и предварительная обработка данных производится Камчатским филиалом Геофизической службы РАН.
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. Для более глубокой обработки данных создана специальная программа, направленная на определения передаточных магнитотел-лурических функций (магнитотеллурического импеданса и теллурического тензора) и вариаций электрического поля внутриземных источников. С помощью этой программы в банке данных формируются синхронные временные ряды электрического поля Земли заданной продолжительности.
Полученные временные ряды использовались для изучения динамики электропроводности литосферы и выделения электрического поля внутризем-ных источников.
АНАЛИЗ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ТЕНЗОРА ИМПЕДАНСА
Вариации магнитотеллурического поля в средних и низких широтах допускают аппроксимацию их плоской волной. В рамках этой модели существует связь между горизонтальными векторами электрического и геомагнитного полей в точке на земной поверхности [Бердичевский, 1981]:
Егор. = гИГор., гдег =
или в развернутом виде:
7 7
^ XX ^ ху
7 7
^уу
Ех — 7ххН х + 7хуН у Еу - 7ухНх + 7ууНу ,
где г — тензор импеданса; 7хх, 7ху, 7ухс, 7уу — комплексные компоненты тензора импеданса, зависящие от частоты, распределения удельных электрических сопротивлений в Земле и ориентации координатных осей.
Тензор импеданса характеризует комплексное сопротивление среды (активное, индуктивное, емкостное). Комплексные компоненты тензора импеданса можно представить в виде:
7 \о1(^ху. 7 -1хуIе 1 '-'ух
'<?ух
ху | ху|^ > '-'ух | ух| >
где ^ху\, ух\ и фху, фух — модули и фазы импеданса.
Модули импеданса преобразуются в кажущиеся электрические сопротивления среды в виде:
2
1
2
р ^,Ом м
100000 г
10000 =
1000 =
100 =
100
X
Ф , град 0
-20
-40 -
-60
-80 -
100
1 / 2
Рис. 3. Семейства поперечных индивидуальных кривых МТЗ.
р к, Ом м 100000 с
10000
1000
С-Ю
10
Ф, град 0
100
-40
1000
10
100
Гг,
1000
1 / 2
• 1
♦ \з
Рис. 4. Кривые МТЗ в п.Карымшина для линий различной длины: 7, 2, 3 - кривые МТЗ для линий 0306; 02-05 и 01-04, соответственно (см. рис. 2б).
р х = 0.2Т ^ ху\2 руу = 0.2Т ^ ух\2, где Т - период вариаций.
Таким образом, по вариациям магнитотеллу-рического поля можно получить значения кажущегося сопротивления и фазы импеданса по различным направлениям в зависимости от периода вариаций. Следует отметить, что информация о фазе импеданса в значительной мере уточняет и дополняет сведения по данным кажущегося электрического сопротивления. Рассмотрим это на примерах.
Известно, что электрическое поле обладает повышенной чувствительностью к геоэлектрическим неоднородностям среды по сравнению с магнитным полем. Повышенная чувствительность
связана с гальваническими эффектами, которые затрагивают амплитудные кривые, но не проявляются в фазовых кривых. В качестве примера на рис. 3. из работы [Мороз, 2008] приведены амплитудные кривые кажущегося электрического сопротивления и фазовые кривые импеданса по одному из районов на Камчатке. На рисунке видно, что амплитудные кривые рк расходятся по уровню сопротивлений почти на 3 порядка. При этом фазовые кривые расходятся незначительно. Данный эффект назван эффектом р. Вторым примером является рис. 4. Здесь приведены амплитудные кривые рк и фазовые кривые импеданса в одном пункте наблюдений (обс. Карымшина) для линий различной длины М^ Данный рисунок наглядно
Ф, град 20
10 0 10 20
Л 1м
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.