ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 1, с. 89-103
УДК 550.348
ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГЕОАКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
© 2014 г. В. А. Гаврилов1, И. А. Пантелеев2, Г. В. Рябинин3
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский
E-mail: vgavr@kscnet.ru 2Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь E-mail: pia@icmm.ru
3Камчатский филиал Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский
E-mail: gena@emsd.ru Поступила в редакцию 11.10.2012 г.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований физических причин и механизмов эффекта модулирующего электромагнитного воздействия на интенсивность геоакустических процессов, а также особенностей проявления этого эффекта перед сильными близкими землетрясениями.
DOI: 10.7868/S0002333714010049
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о физических причинах суточных вариаций уровня геоакустической эмиссии (ГАЭ), регистрируемых при высокочувствительных сква-жинных измерениях, возник практически одновременно с началом таких измерений [Беляков и др., 1999]. По результатам многолетних скважин-ных геоакустических и электромагнитных измерений, проводимых на территории Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона, было установлено, что в сейсмически спокойные периоды изменения среднеквадратических значений (СКЗ) геоакустической эмиссии в скважинах определяются изменениями напряженности электрической составляющей внешнего электромагнитного излучения (ЭМИ) в районе той же скважины [Гаврилов и др., 2006; Гаврилов, 2007; Оауп1оу й а1., 2008; Гаврилов и др., 2011; Гаврилов, Власов, 2011]. В качестве примера на рис. 1 представлены графики суточных вариаций среднеквадратиче-ских значений ГАЭ и ЭМИ, полученные по результатам измерений в скважине Г-1 в сейсмически спокойные периоды (периоды "фоновой сейсмичности"). Скважина Г-1 находится в черте г. Петропавловска-Камчатского, имеет глубину 2542 м. Скважина обсажена на всю глубину ствола. В интервалах 1710-1719 м, 1750-1754 м, 1790— 1799 м и 2415—2424 м обсадная колонна скважины перфорирована. Дебит скважины в настоящий момент очень незначителен — порядка 0.00003 л/с. Скважина расположена на небольшом удалении от различных источников и потребителей промышленной электроэнергии, в том числе, на расстоянии около 500 м от высоковольт-
ной линии электропередачи, что определяет характер воздействующего электромагнитного излучения. Основные геоакустические измерения на скважине Г-1 ведутся на глубине 1012 м. Электромагнитные измерения проводятся с использованием подземной электрической антенны [Гаврилов и др., 2006]. Из данных, приводимых на рис. 1, видно, что вариации среднеквадратиче-ских уровней сигналов ГАЭ и ЭМИ имеют высокую степень корреляции. В спектрах ГАЭ (рис. 1в, 1г) на фоне достаточно равномерного во всем рабочем частотном диапазоне спектра четко выделяются отклики на гармоники промышленной частоты 50 Гц.
По данным многолетних измерений, темное время суток для района скважины Г-1 характеризуется стабильным повышением (примерно на 5 дБ) амплитуды компоненты 150 Гц в спектре ЭМИ, что определяет наличие четко выраженных суточных вариаций уровней ЭМИ и ГАЭ при полосовой фильтрации с центральной частотой 150 Гц.
Для других скважин Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона вариации уровня ГАЭ имеют другие временные и спектральные характеристики, определяемые характеристиками внешних ЭМИ в зоне скважин. В качестве примера на рис. 2 представлены данные синхронных геоакустических и электромагнитных измерений в скважине К-33, где электромагнитная обстановка определяется сочетанием естественного и техногенного электромагнитных излучений. Скважина расположена в 36 км на юго-запад от скважины Г-1, в 35 км от г. Елизово и на удалении около 28 км от береговой черты Авачинского залива. Скважина имеет
дБ
0 -10 -30 -50 -70
дБ
0 10 30 50 70
(а)
1 марта 2011 г.
ЭМИ, скв. Г-1, день
дБ
0 2
-4
-6 -8
(в)
ГАЭ, Ъ, 1012 м, скв. Г-1, день
(б)
ЭМИ, скв. Г-1, ночь
0 50
Отн. ед.
300 -
250 -
200 -
150 -
100 -
50
0 -
дБ
0 -2 -4 -6 -8
(г)
ГАЭ, Ъ, 1012 м, скв. Г-1, ночь
(д)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Гц
ЭМИ, скв. Г-1, фильтр 150 Гц
Отн
800 700 600 500 400 300 200 100
01:07:29 01.03.2011
ед.
06:40:49 01.03.2011
12:14:09 01.03.2011
17:47:29 01.03.2011
23:20:49 01.03.2011
04:54:09 02.03.2011
10:27:29 02.03.2011 02.03.2011
ГАЭ, Ъ, скв. Г-1, 1012 м, фильтр 150 Гц
01:07:29 01.03.2011
12:14:09 01.03.2011
17:47:29 01.03.2011
23:20:49 01.03.2011
04:54:09 02.03.2011
10:27:29 02.03.2011 02.03.2011
Рис. 1. Амплитудные спектры и графики вариаций СКЗ ЭМИ и ГАЭ для скважины Г-1, характерные для сейсмически спокойных периодов:
(а), (б) - амплитудные спектры ЭМИ для разного времени суток; (в), (г) - амплитудные спектр ГАЭ (вертикальная компонента) для разного времени суток; (д) - суточные вариации СКЗ ЭМИ при фильтрации третьоктавным фильтром с центральной частотой 150 Гц; (е) - суточные вариации СКЗ ГАЭ (вертикальная компонента) при фильтрации третьоктавным фильтром с центральной частотой 150 Гц. Интервал осреднения 5 мин.
глубину 300 м, обсажена до глубины 67 м. Геоакустические измерения на скважине К-33 проводились с применением гидрофона, установленного на глубине 210 м. Электромагнитные измерения осуществлялись с использованием подземной электрической антенны, основным элементом которой являлся погруженный в скважину коаксиальный кабель длиной около 300 м.
Спектр ЭМИ для скважины К-33 (рис. 2а) четко разделяется на две составляющие: фоновую составляющую природного происхождения, спектральная плотность которой незначительно
меняется во все частотном диапазоне, и составляющую техногенного происхождения с дискретными компонентами высокой амплитуды. В частотном диапазоне 25-1400 Гц основной вклад в ЭМИ природного происхождения вносят "хвосты" атмосфериков - низкочастотные части сигнала, образованного молниевым разрядом. Для Камчатки фоновый уровень потока атмосфери-ков имеет суточный ход с максимумом в темное время суток [Михайлов и др., 2006] что совпадает с характером данных, представленных на рис. 2а. Электромагнитное излучение техногенного про-
24 сентября 2011 г. (а)
(отн. ед.)2/Гц
1.00е+013
1.00е+012
1.00е+011
1.00е+010
1.00е+009
1.00е+008
(отн. ед.)2/Гц 1.00е+009
1.00е+008
1.00е+007
ЭМИ, скв. К-33
(б)
ГАЭ, скв. К-33, 210 м
0
200
400
600
800
1000
Гц
Отн. ед.
2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700
ЭМИ, скв. К-33
(в)
00:35:03 25.09.2011
03:40:00 25.09.2011
06:26:40 25.09.2011
08:13:20 25.09.2011
12:00:00 25.09.2011
14:46:40 25.09.2011
17:33:20 25.09.2011
20:20:00 25.09.2011
23:06:40 25.09.2011
01:53:20 26.09.2011
Отн. ед.
300 - ГАЭ, скв. К-33, 210 м
250 -
200 Цщии^
(г)
150 -
00:52:37 03:40:00 06:26:40 09:13:20 12:00:00 14:46:40 17:33:20 20:20:00 23:06:40 01:53:20 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 25.09.2011 26.09.2011
Рис. 2. Спектры и вариации СКЗ для ЭМИ и ГАЭ, характерные для скважины К-33:
(а) — амплитудный спектр ЭМИ для разного времени суток; (б) — амплитудный спектр ГАЭ для разного времени суток, 1 — дневное время суток, 2 — ночное время суток; (в) и (г) — суточные вариации СКЗ соответственно ЭМИ и ГАЭ для полосы выше 150 Гц. Пояснения в тексте.
Октябрь, 2009 г.
Отн.ед
700
600 500 400 300 -
Отн. ед.
500
400 300 200 100
Рис. 3. Пример результатов одновременных геоакустических и электромагнитных измерений, характерных для временных окрестностей сильных близких землетрясений: (а) - вариации СКЗ ГАЭ на глубине 1012 м; (б) - вариации ЭМИ;
При обработке использовалась полосовая фильтрация третьоктавным фильтром с центральной частотой 160 Гц.
исхождения для скважины К-33 в полосе до 350 Гц (компонента 50 Гц и ее гармоники) связано с ЛЭП 110 кВ, расположенной в 300 м от скважины.
Спектр ГАЭ для скважины К-33 (рис. 2б) в основном соответствует спектру ЭМИ. Однако, из-за небольшой (210 м) глубины установки гидрофона спектр ГАЭ в своей низкочастотной части осложнен помехами, связанными, в основном, с движением транспорта по дороге, расположенной в 350 м от скважины. Графики СКЗ ЭМИ и ГАЭ, приводимые на рис. 2, получены после цифровой фильтрации исходных данных фильтром верхних частот с частотой среза 150 Гц для устранения помех антропогенного происхождения.
Результаты измерений на скважинах Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона, а также специально организованные натурные эксперименты на Бишкекском полигоне, показывают, что отклики ГАЭ горных пород в случае размещения геофонов в скважинах могут надежно регистрироваться уже при уровне напряженности воздействующего электрического поля порядка 0.2-0.5 мВ/м [Гаврилов и др., 2011; Гаври-лов, Власов, 2011].
Необходимо подчеркнуть, что приводимый выше пример (рис. 1а), показывающий высокую степень корреляции среднеквадратических значений ГАЭ и ЭМИ, характерен для сейсмически спокойных периодов. Согласно результатам многолетних измерений на скважине Г-1, за сутки и более перед сильными (Мш > 5.0) близкими землетрясениями, а также в периоды релаксации после землетрясений, амплитуда откликов ГАЭ на воздействие ЭМИ, как правило, значительно уменьшается (рис. 3). При этом эффект деградации откликов ГАЭ на воздействие ЭМИ как индикатор изменений напряженно - деформированного состояния геосреды, связанных с подготовкой и реализацией землетрясений, стабильно проявлялся перед землетрясениями с магнитудами Мш > 5.0 в зоне радиусом Я < < 300 км от скважины и землетрясениями с Мш > 5.5 в зоне Я < 550 км (рис. 4).
Прикладной аспект указанных результатов стимулировал работы, направленные на исследование физических причин и механизмов указанных эффектов, как основы для разработки принципиально новых методов комплексного геофизического мониторинга напряженно-деформированного состояния геосреды и прогноза землетрясений. Сре-
Рис. 4. Нарушения суточного хода ГАЭ в сопоставлении с сейсмической активностью:
1 — наличие суточного хода, 2 — пропуски данных. Стрелками указаны моменты
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.