научная статья по теме ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ НА ДНЕ МЕЛКОВОДЬЯ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ НА ДНЕ МЕЛКОВОДЬЯ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 461-469

МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ

УДК 551.465

ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ НА ДНЕ МЕЛКОВОДЬЯ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ

© 2015 г. И. В. Егоров, Н. А. Пальшин

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail:yegorov@ocean.ru, palshin@ocean.ru Поступила в редакцию 15.10.2013 г., после доработки 25.09.2014 г.

В работе объясняются механизмы генерации флуктуаций электрического поля, создаваемых электрокинетическими эффектами, которые наблюдаются на дне мелководных бассейнов с малой соленостью дополнительно к естественным переменным электромагнитным полям ионосферно-магни-тосферного происхождения. Рассмотрена модель возбуждения электрического поля как для случая с длинными поверхностными волнами, так и для случая, когда длина волны меньше глубины дна. Дано математическое описание модели и получены оценки для колебаний давления на дне, вызванных поверхностными волнениями, а также значений электрического поля, возбуждаемого этими колебаниями вследствие электрокинетических эффектов. Показано, что нелинейные эффекты в стоячих волнах, образованных короткими бегущими волнами, так же как в случае длинных волн, могут вызывать электрические поля электрокинетического происхождения в придонном слое того же порядка по величине. Таким образом, впервые предложен способ оценки уровня электрокинетического шума, порождаемого поверхностными волнами.

DOI: 10.7868/S0030157415030041

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, при изучении геологического строения морского дна электромагнитными методами, при которых выполняются прецизионные измерения вариаций электромагнитного поля в водной толще или на дне, существенной проблемой является существование электромагнитных помех различной природы, затрудняющих или делающих практически невозможным получение полезной геологической (или иной) информации [37, 38, 52]. В силу изменчивости состояния водной среды, при измерениях электромагнитных полей на дне пресноводных водоемов, а также прибрежных областей морей с пониженной соленостью воды к ним добавляется еще шумы, обусловленные электрокинетическими явлениями. Эти явления возникают как при относительном движении воды и частиц донного слоя, так и при деформации пористых сред, насыщенных водой. Эффект обусловлен тем, что часть ионов жидкости адсорбируется на частицах, стенках пор. Ионы противоположного знака, остающиеся в объеме жидкости, могут перемещаться под действием градиента давления, создавая тем самым электрокинетический ток. Теория электрокинетического эффекта в пористых водонасыщенных породах и средах рассмотрена во множестве работ [4, 12, 14-16, 19-21, 23, 25-31, 34, 36, 39, 40, 42-49, 51, 53].

Электрокинетические явления, обусловленные движениями разных фаз среды относительно друг друга, рассмотрены нами в простейшем варианте — при движениях воды относительно плоского дна

(как правило, песчаного или илистого), вызванных поверхностными волнениями. Электрокинетические явления имеют свои особенности, однако ясно, что в данной ситуации в основе их образования лежат гидродинамические процессы. Поэтому внимание было сосредоточено именно на них. Причем, необходимо отметить, что эти гидродинамические возмущения порождают также такие известные явления как микросейсмы, проблема изучения причин происхождения которых имеет более, чем столетнюю историю. Известны как экспериментальные, так и теоретические исследования. Обзор таких исследований приведен, например, в [17].

На первых порах, начиная с 30-х годов прошлого века, выполнялись, главным образом, лабораторные измерения на моделях, отражающих процесс возникновения микросейсмов, дополненные позднее теоретическими обоснованиями [13, 17, 18, 32, 33].

Теоретические исследования, объясняющие возникновения микросейсмов с частотой, превышающей приблизительно вдвое частоту поверхностных морских волн, нелинейными эффектами в стоячих волнах, начались в 1944 г. [35]. При этом, рассматривалась модель двумерной стоячей волны, возникающей при движении двух бегущих в противоположных направлениях синусоидальных волн с одинаковой амплитудой и частотой. Далее, в 1950 г. эти исследования были развиты для более общего случая волн с разной амплитудой [32]. И в 1963 г. появилась работа, в которой рассмотрена

-0.75

28800

28810

28820 Время, с

28830

0.10

28840

Рис. 1. Горизонтальная компонента электрического поля, измеренная на дне (в двух точках) в северной части Каспия в практически пресной воде (верхняя и средняя панели). Для сравнения приведены записи, полученные на берегу (нижняя панель). Черным показана северная компонента Ех, а серым — восточная Еу.

модель, более близкая к реальности, когда рассмотрены эффекты в стоячих волнах, возникающих при столкновении двух бегущих волн с разными амплитудами и частотами [22]. Довольно полное описание с соответствующими выкладками приведено в работах [6, 18, 24]. Дальнейшее развитие теоретических исследований нелинейных эффектов в стоячих морских волнах получило в [2]. Теоретические и экспериментальные исследования в наиболее общем виде, с учетом взаимодействия стоячих волн с пористым дном, были выполнены в работе [50].

Все указанные исследования были направлены на объяснение природы микросейсмов и не касались других явлений, возникающих, при этом, в придонном слое, а именно - электрокинетических эффектов. Имеются лишь экспериментальные исследования в лабораторных условиях возникновения электрического поля в воде под действием прогрессивных поверхностных волн [1]. Измерения проводились в специальном гидродинамическом лотке, в котором создавались одиночные бегущие волны высотой от 1 до 50 см при глубине дна лотка 20 см. Опыты показали, что измерен-

ная разность потенциалов имеет четко выраженный пульсирующий характер с величиной амплитуды 0.05—0.1 мВ при фазовой скорости 0.5—1 м/с.

Рассмотрим, в качестве примера, результаты измерений электрического поля на дне мелководных бассейнов, полученные ООО "Северо-запад" в ходе опытных морских электроразведочных работ методом магнитотеллурического зондирования. Работы выполнялись в 2008 г. на озере Селигер, в дельте Волги и на севере Каспия [8].

Измерения горизонтальных компонент электрического поля на дне показали, что записи содержат интенсивный квазигармонический сигнал в диапазоне частот 0.05—1 Гц (рис. 1), а записи, полученные в дельте Волги — шумоподобный сигнал на более высоких частотах в диапазоне от 1 до 10 Гц. Спектральный анализ подтверждает, что на рассматриваемых записях, полученных в мелководной части (1.5—2 м) Северного Каспия доминирует сигнал, имеющий типичные волновые характеристики (рис. 2). Очевидно, что наблюдаемые сигналы связаны с поверхностными волнами и придонными течениями [8, 41].

Период, с

100 0.1

10

т-1-1-1-1-1-г-

0.01

«

ь^ 0.001

& м

е

с

С

0.0001 г

0.00001

—|—I—I—I-1-1-1—

со <-ч

-1-Г"

<^00 (-^ЧО Ш СО

О О О О О О о

—I—I—I—I—I-1-1-1—

0.01

~ ч

— На суше —1 На дне (1) _ На дне (2)

_|_I_I_I_I_I_I_1_

_|_I_I_I_I_I_I_1_

0.1

Частота, Гц

_|_1_

0.1

-I_I_I_I_1_

10

Рис. 2. Спектры вариаций электрического поля измеренных (в двух точках) в северной части Каспийского моря. Для сравнения приведен спектр (нижняя кривая) опорного берегового сигнала.

1

Возможны две причины возникновения этих полей — за счет силы Лоренца при движении проводящей жидкости (морская вода) в магнитном поле [41], или - электрокинетических эффектов [8]. Ясно, что когда вода слабосоленая или пресная, основной причиной являются электрокине-тичекие эффекты, в случае нормальной соленой морской воды будет преобладать магнитгидроди-намический источник.

Пульсации электрического поля за счет электрокинетических эффектов могут в ряде случаев, как это зафиксировано в северной части Каспийского моря во время свежей погоды (рис. 1—2), доминировать в измеренном сигнале и существенно затруднять выделение полезного сигнала, что делает актуальной задачу исследования этого явления.

Цель исследований, представленных в данной статье, заключалась в том, чтобы оценить величину электрокинетических полей, являющихся помехой при измерениях вариаций как естественных, так и искусственных электрических полей, при проведении электроразведочных работ в мелководных распресненных и пресных бассейнах.

О МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

Рассмотрим генерацию электрокинетических явлений под действием поверхностных волнений в

мелководных (до 50 м) бассейнах с плоским дном, на которое действуют поверхностные двумерные ветровые волны или волны зыби с фазовой скоростью от 1 до 10 м/с. При этом длина волны может иметь значения от 5 до 100 м, а высота волны может достигать 10 м.

Далее везде будет использоваться система единиц СИ и следующие обозначения: Е [В/м] — напряженность электрического поля; п [Па • с] — вязкость (динамическая) жидкой фазы (вода); 6 [1] — относительная диэлектрическая проницаемость воды (6 = 81); б0 = 8.85 х 10-12 [Ф/м] -электрическая постоянная; ^ [В] — ¿-потенциал (для донного песка);р [Па] — давление; а [См/м] — удельная электрическая проводимость воды; р [кг/м3] = 1000 кг/м3 — плотность воды; g [м/с2] = = 9.81 м/с2 — ускорение свободного падения; X [м] — длина волны; Т [с] = Х/с — период волны; с [м/с] — фазовая скорость волны; Н [м] — глубина воды; к [м] — высота волны; к = 2я/Х — волновое число; ю = 2я/Т — частота; Аур [В] — разность потенциалов.

Приведем некоторые характерные значения основных параметров, необходимых для оценки электрокинетических эффектов вблизи дна для областей со слабосоленой или пресной водой (чтобы пренебречь магнитогидродинамическими

S(x, О

Рис. 3. Модель жидкости с волновым возмущением.

эффектами). Так, например, для типичного озера или реки можно для расчетов использовать следующие значения: а = 0.01-0.02, ц = 0.8-1.7921, £ = = 0.01-0.02. Для некоторой прибрежной зоны Каспийского моря, вследствие некоторой степени солености воды, значение электропроводности составляет а = 0.1-0.2.

Если считать придонный слой совокупностью капилляров, то возникающая разность потенциалов (потенциал течения), приводящая к возникновению электрического поля течения на

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»