ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 139-144
= ДИСКУССИИ
УДК 550.372+550.374+550.377+550.34.013.2
ВОЗМОЖНОЕ ВЛИЯНИЕ ТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ТОКОВ НА СЕЙСМИЧНОСТЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ В СЕЙСМОАКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ © 2015 г. А. А. Тренькин
Российский федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, г. Саров (Нижегородская обл.) e-mail: trenkin@ntc.vniief.ru Поступила в редакцию 01.08.2013 г. После доработки 14.03.2014 г.
Предложена физическая модель воздействия теллурических токов на процессы формирования макроразрывов в земной коре и инициирование землетрясений за счет взаимодействия теллурических токов с геомагнитным полем. Установлена реализация для рассматриваемых процессов режима с обострением за счет положительной обратной связи между падением электрического сопротивления готовящегося очага землетрясения, ростом тока и ростом давления в указанной области. Получены оценки характерного времени инициирования землетрясений, согласующиеся с экспериментальными данными. Модель позволяет объяснить взаимосвязь ряда наблюдаемых электромагнитных явлений с процессами подготовки землетрясений в сейсмоактивных областях.
DOI: 10.7868/S0016794015010113
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что во многих случаях землетрясения сопровождаются возмущениями электромагнитных полей как вблизи очага, так и на значительных удалениях от него [Соболев,1993; Рикитаке, 1979; Гогатишвили, 1984; Садовский, 2004; Сурков, 2000; МА дЫ-гЫ»^ й а1., 2004; ТакеиеЫ й а1., 2005; Гох-берг и др., 1985; Собисевич и др., 2010; Шестопа-лов и др., 2013]. Так, установлено, что в сейсмоактивных районах возникают вариации электропроводности геологических структур, совпадающие по времени с процессами подготовки землетрясений [Соболев,1993; Рикитаке, 1979; Сурков, 2000]. Как правило, моменту землетрясения соответствует минимальное значение удельного электрического сопротивления. Наблюдаются также аномальные вариации теллурических токов и электрических полей в грунте, возникающие в интервале от несколько часов до 15 суток до землетрясения [Сурков, 2000; МА д1п-7Ьопя е! а1., 2004]. При этом характерные амплитуды возмущения электрических полей Е в грунте на значительных расстояниях (~100 км и более) от эпицентра составляют 0.1—1 В/км. Следует отметить, также возникновение световых эффектов в атмосфере в эпицентральной зоне непосредственно перед землетрясениями: диффузные сияния, бесшумные молнии, шаровые вспышки [Сурков, 2000; Гохберг и др., 1985]. В качестве предвестников землетрясений отмечаются также вариации геомагнитного поля [Собисевич и др., 2010; Гогати-
швили, 1984; Сурков, 2000; Шестопалов и др., 2013].
В большинстве случаев, аномальные вариации прекращаются сразу после землетрясения.
К настоящему времени предложен ряд физических моделей взаимосвязи электромагнитных возмущений с процессами подготовки и возникновением землетрясений [Сурков, 2000; Воробьев, 1975; ТакеиеЫ е! а1., 2005; Натяганов, 2007; Гохберг и др., 1985]. Так, одной из причин генерации электрических полей могут являться процессы электризации геологических структур, находящихся под высоким давлением в готовящемся очаге [Сурков, 2000; Воробьев, 1975; ТакеиеЫ е! а1., 2005]. Лабораторные исследования по сжатию некоторых широко распространенных геологических пород установили возможность генерации электрических полей до 105 В/км [ТакеиеЫ е! а1., 2005].
Другой подход к объяснению источников электромагнитных предвестников землетрясений связан с крупномасштабными токовыми процессами дислокационной природы, возбуждаемыми на заключительной стадии подготовки землетрясений — фазе разрушения [Гохберг и др., 1985]. При этом показано, что формирование крупномасштабных токовых систем позволяет объяснить разнообразие сопутствующих процессу подготовки землетрясения электромагнитных факторов.
Отметим, что в предложенных моделях электромагнитные эффекты являются следствием
процессов, связанных с механическим напряжением и разрушением геологических материалов.
Вместе с тем, к настоящему времени достоверно установлен эффект активного воздействия электромагнитных полей на сейсмичность в виде увеличения уровня сейсмического шума и инициирования землетрясений [Соболев и др., 2001; Закржевская и Соболев, 2002; Закупин и др., 2006; Сычева и др., 2011; Тарасов, 1997; Тарасов и др., 1999]. Так, например, в ряде работ, посвященных исследованиям влияния геомагнитных бурь на сейсмичность в сейсмоактивных регионах Казахстана, Киргизии и Кавказа, установлено увеличение числа землетрясений после начала бурь [Соболев и др., 2001; Закржевская и Соболев, 2002; Сычева и др., 2011]. В результате анализа полученных результатов сделан вывод о триггерном механизме влияния бурь на сейсмичность, когда индуцируемые электротеллурические токи инициируют выделение энергии, накопленной в земной коре в ходе естественных геодинамических процессов [Соболев и др., 2001; Закржевская и Соболев, 2002].
Выводы о триггерном механизме сделаны и в результате исследований воздействия мощных токовых импульсов на сейсмичность земной коры в сейсмоактивных областях [Тарасов, 1997; Тарасов и др., 1999]. В экспериментах установлено, что через 2—4 суток после пусков МГД-генератора наблюдается резкая активизация местных землетрясений, продолжающихся в течении нескольких суток.
Оценка глубины проникновения электротеллурических токов при характерных частотах их вариации /< 0.1 Гц [Сурков, 2000; МА Рт-гЬо^ й а1., 2004; Гогатишвили, 1984; Соболев и др., 2001; За-кржевская и Соболев, 2002] для средневлажных грунтов (р = 100 Ом м), дает значение >15 км, что свидетельствует о возможности воздействия электрических токов на процессы в очагах готовящихся землетрясений.
Возможность триггерного механического влияния на формирование макроразрыва в образцах горных пород при их нагружении доказана в лабораторных условиях [Соболев, 1993], где инициирующее воздействие осуществлялось посылкой в образец относительно слабого упругого импульса.
Сходные результаты получены и при натурном моделировании по разрушениям геологических структур, вызванных закачкой воды в скважины [Смирнов и др., 2010].
Ввиду следующего из современной концепции о самоорганизующейся сейсмической критичности вывода о самоподобии процессов в разных пространственных и временных масштабах можно полагать, что аналогичные явления имеют место и при землетрясениях [Соболев, 1993; КеШя-Вогок, 1990; Садовский, 2004].
В этой связи, основным является вопрос — каким образом происходит преобразование электромагнитной энергии в механическую? В качестве возможных процессов механического воздействия электромагнитных импульсов на находящиеся в напряженном состоянии геологические структуры рассматриваются: обратный пьезоэлектрический эффект, электрические пондермоторные силы, термическое расширение при нагреве среды, преобразование электромагнитной энергии в колебательную энергию флюидной проводящей жидкости в поровых каналах (см. [Сычева и др., 2011] и ссылки в ней). Однако, перечисленные механизмы либо обладают пренебрежимо малым эффектом механического влияния, либо требуют выполнения маловероятного комплекса условий.
Необходимость понимания процессов, сопровождающих подготовку и инициирование землетрясений, с целью создания методов и средств прогноза землетрясений а, возможно, и их предотвращения, делает актуальной разработку соответствующих физических моделей.
В данной работе предложена физическая модель воздействия электротеллурических токов на процессы формирования макроразрывов в земной коре и инициирование землетрясений. В основу модели положено взаимодействие электротеллурических токов с геомагнитным полем, приводящее к возникновению силы Ампера, приложенной к области геологической среды с относительно низким электрическим сопротивлением. Отличительной особенностью модели является наличие положительной обратной связи между падением электрического сопротивления готовящегося очага землетрясения, ростом тока и ростом давления в указанной области.
2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЕЕ ОБСУЖДЕНИЕ
Предлагается физическая модель динамики процессов формирования макроразрывов с участием теллурических токов. Наличие теллурических токов определяется существованием в области готовящегося землетрясения электродвижущей силы (ЭДС), возникновение которой может быть обусловлено разнообразными процессами электризации геологических структур, вариациями геомагнитного поля, а также техногенными воздействиями [Сурков, 2000; Воробьев, 1975; Тарасов, 1997; Тарасов и др., 1999; ТакеиеЫ е! а1., 2005].
Распределение электротеллурических токов зависит от распределения объемного сопротивления земной коры. Очевидно, что токи в объеме грунта будут концентрироваться по путям наименьшего электрического сопротивления, зависящего от состояния геологических пород, состава, водонасыщенности и др. Известно, что в боль-
Bo
Готовящийся очаг
Линии теллурических токов
Модель воздействия теллурических токов на область готовящегося землетрясения. I — характерный размер макроразрыва, I — теллурический ток, Б0 — вектор индукции геомагнитного поля.
шинстве случаев, в период подготовки землетрясений наблюдается значительное (в некоторых случаях в тысячи раз) снижение сопротивления в областях будущих разрывов [Соболев, 1993; Рикитаке, 1979; Сурков, 2000]. Одно из объяснений явления снижения сопротивления связывают с возрастанием водонасыщенности указанных областей за счет увеличения степени трещинно-ватости пород вследствие эффекта дилатансии [Соболев, 1993; Рикитаке, 1979]. За счет снижения электрического сопротивления значительная часть электротеллурического тока потечет по контуру, частично или полностью включающему область готовящегося макроразрыва, в результате чего непосредственно на эту область будет действовать сила F, обусловленная взаимодействием тока I с геомагнитным полем Б0 (рисунок):
Г х В01 х В0Е, что приведет, в свою очередь, к увеличению давления в указанной области и росту степени трещинноватости.
Экспериментальным подтверждением предложенного механического воздействия электротеллурического ток
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.