научная статья по теме ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ»

УДК 550.837

ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

© 2013 г. Ю. Ф. Мороз, Т. А. Мороз

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский Поступила в редакцию 09.08.2011 г.

По данным многолетнего электромагнитного мониторинга исследованы синхронные годовые вариации геоэлектрического и геомагнитного полей. Показано, что годовые вариации геоэлектрического поля имеют внутриземное происхождение и не связаны с годовыми вариациями геомагнитного поля. Наряду с этим изучены временные изменения магнитотеллурического импеданса и магнитного типпера, характеризующие электропроводность геологической среды. Установлено, что годовые вариации магнитотеллурического импеданса характеризуют в большей мере изменение электропроводности приповерхностных частей земной коры. Они в меньшей мере зависят от глубинной электропроводности среды. Годовые вариации магнитного мнимого типпера на периодах 1000—3000 с могут быть связаны с изменениями проводимости глубинной поперечной проводящей зоны (разлома). Предполагается, что годовые вариации геоэлектрического, геомагнитного полей и электропроводности геологической среды связаны с изменением геодинамических процессов, вызванных вращением Земли вокруг Солнца.

Ключевые слова: геоэлектрическое поле, геомагнитное поле, годовые вариации, импеданс, магнитный типпер.

DOI: 10.7868/S0002333713020051

Электромагнитное поле Земли характеризуется широким спектром вариаций геомагнитного и геоэлектрического полей с периодами от тысячных долей секунды до годовых и более. Вариации полей содержат информацию об электропроводности геологической среды, внутриземных и ионосферных (магнитосферных) электрических и магнитных источниках. В лучшей мере изучены высокочастотные вариации электромагнитного поля Земли. В меньшей мере исследованы длин-нопериодные вариации, что обусловлено необходимостью более длительных наблюдений. В длин-нопериодном диапазоне крайне ограничены сведения о годовых вариациях геоэлектрического поля. Информация о них приведена в работах [Краев, 1951; Дещеревский, Сидорин, 1999; Мороз и др., 1999; и др.] Годовые вариации геомагнитного поля рассмотрены в публикациях [Ser-son, 1973; Яновский, 1978; Паркинсон, 1986; Мороз др., 2002; и др.]. Наряду с годовыми вариациями электромагнитного поля Земли большой научный интерес представляют годовые вариации глубинной электропроводности в сейсмических зонах, где активно протекают геодинамические процессы.

В этой связи мы рассмотрим данные многолетнего электромагнитного мониторинга на Камчат-

ке. Здесь в южной части п-ова существует сеть наблюдений электромагнитного поля, включающая пункты Шипунский, Тундровый, Верхняя Пара-тунка и обсерватории Карымшина и Паратунка (рис. 1). К настоящему времени накоплен большой объем данных, позволяющий изучить и выявить основные особенности в поведении годовых вариаций электромагнитного поля и электропроводности геологической среды и определить возможную их природу. Этому вопросу и посвящена настоящая статья.

КРАТКАЯ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА

Южная Камчатка характеризуется высокой сейсмической, тектонической и гидротермальной активностью. Гипоцентры тектонических землетрясений приурочены к сейсмофокальной зоне, которая со стороны глубоководного желоба погружается в сторону полуострова Камчатка под углом примерно 50°. Пункт Шипунский расположен в районе сейсмофокальной зоны. Под обсерваториями Карымшина, Паратунка и пунктами Верхняя Паратунка, Тундровый сейсмофокальная зона расположена на глубине около 100—120 км.

156° 159° Долгота 165°

Рис. 1. Схема расположения наблюдений электромагнитного поля Земли: 1 — пункт; 2 — обсерватория.

Обсерватории и пункты электромагнитного мониторинга находятся в зонах с различным геологическим строением. Согласно [Геология ..., 1964], Шипунский полуостров, где расположен одноименный пункт наблюдений, входит в вулканическую область восточных полуостровов, являющейся составной частью Восточно-Камчатской зоны, отнесенной к внешней складчатой дуге. Шипунский п-ов характеризуется широким развитием интрузивных и эффузивных магматических образований, осложненных тектоническими нарушениями. Земная кора отличается здесь аномально высокими плотностью, сейсмической скоростью и электрическим сопротивлением.

Район расположения обсерваторий и других пунктов входит в состав Центрально-Камчатской структурно--фациальной зоны, которая является внутренней вулканической дугой [Геология ..., 1964]. Ее развитие связывается с существованием глубинного разлома. На Южной Камчатке для структур этой зоны характерно северо-западное простирание структур, которое является поперечным по отношению к простиранию основных тектонических элементов Камчатки. В районе расположения обсерваторий Паратунка, Карым-

шина и пунктов Тундровый, Верхняя Паратунка породы домезозойского кристаллического фундамента приближены к дневной поверхности или выведены на поверхность. Гравитационные и магнитные поля характеризуются высокой напряженностью и наличием высоких градиентов, что отражает присутствие в разрезе плотных намагниченных пород и тектонических нарушений.

Геоэлектрический разрез по обобщенным данным электромагнитных исследований в рассматриваемом районе представляется следующим [Мороз, 1991; Мороз, Нурмухамедов, 1998]. Верхняя часть разреза, сложенная четвертичными вул-каногенно-осадочными образованиями, имеет мощность в первые сотни метров, удельное электрическое сопротивление от первых десятков до тысячи и более Ом м. Ниже залегают кайнозойские вулканогенно-осадочные образования мощностью до 1.5 километров с удельным электрическим сопротивлением в первые десятки Ом м.

Глубинный геоэлектрический разрез области Восточных полуостровов (п. Шипунский) принципиально отличается от внутренней вулканической дуги (обс. Паратунка, Карымшина и пункты Тундровый, Верхняя Паратунка). Земная кора

С

(а)

1 6

3

100 м

I_I

(б)

К

100 м

I_I

(в)

3 5

100 м

I_I

С t

(г)

100 м

I_I

Рис. 2. Схемы расположения измерительных линий: в пп. Шипунский — (а), Верхняя Паратунка— (б), Тундровый — (в) и обс. Карымшина — (г). На схемах (а), (б), (в) цифрами указаны номера линий, на схеме (г) — номера электродов.

2

4

4

1

3

4

2

3

2

1

5

4

Восточных полуостровов характеризуется удельным электрическим сопротивлением в сотни-первые тысячи Ом м. Здесь отсутствует коровый проводящий слой. В верхней мантии на глубине 120 км выделяется слой повышенной электропроводности с удельным электрическим сопротивлением около 30 Ом м. Земная кора внутренней вулканической дуги содержит на глубинах 20-30 км проводящий слой с удельным электрическим сопротивлением в первые десятки Ом м. В верхней мантии на глубине около 100 км выделяется слой повышенной электропроводности с удельным электрическим сопротивлением до 10 Ом м [Мороз, 1991; Мороз, Нурмухамедов, 1998].

МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Сеть наблюдений электрического поля включает пункты: Шипунский, Тундровый, Верхняя Паратунка и обс. Карымшина. Системы приемных линий на указанных пунктах изображены на рис. 2. В обс. Карымшина использована установка с центральным нулевым электродом. Приемные линии заземлены с помощью свинцовых электродов, опущенных на глубину 2-3 м. Измерение разности потенциалов электрического по-

ля осуществляется с помощью радиотелеметрической системы с дискретностью: 1 с (обс. Карымшина), 10 с (п. Шипунский), 1 мин (п. Верхняя Паратунка, п. Тундровый). Эксплуатация автоматизированных пунктов наблюдений электрического поля и предварительная обработка данных осуществляются Камчатским филиалом геофизической службы РАН.

Регистрация вариаций геомагнитного поля производится в обс. Паратунка с помощью фер-розондовых магнитометров. Измерение компонент Н, D, Z осуществляется в автоматическом режиме с дискретностью 1 с. Для привязки меток времени используется GPS приемник. Точность измерений вариаций геомагнитного поля 0.01 нТл. Обслуживание магнитометров выполняет Институт космических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН.

Первичная обработка данных сводится к их редакции, 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. Она автоматически из банка данных формирует синхронные временные ряды электрического и гео-

0

мВ/км

400

300

200

100

0

100

200

-300 0

10000

20000

10000

20000

30000

40000 Часы

30000

Годы

40000 Часы

Рис. 3. Графики среднечасовых значений напряженности составляющих геоэлектрического поля в направлениях С-Ю (2к) и В-З (5к).

магнитного полей заданной продолжительности с целью определения параметров, связанных с электропроводностью среды. Полученные временные ряды магнитотеллурических параметров использованы для изучения динамики электропроводности геологической среды.

ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЕЙ

Анализ временных рядов геоэлектрического поля в обс. Карымшина, пунктах наблюдений Верхняя Паратунка и Тундровый показал, что для изучения годовых вариаций более пригодны данные обс. Карымшина. Здесь на линиях 0—2 (С— Ю) и 0—5 (В—З) временные ряды не имеют резких скачков и длительных перерывов в период наблюдений с 2005 по 2009 гг. Временные ряды компонент геомагнитного поля за указанный период наблюдений имеют хорошее качество.

Для выделения годовых вариаций геоэлектрического и геомагнитного полей исходные временные ряды напряженности пересчитаны в среднечасовые значения. Полученные графики горизонтальных составляющих геомагнитного и геоэлектрического полей приведены на рис. 3 и рис. 4. В поведении указанных графиков выражены годовые вариации, которые осложнены высокочастотными солнечно-суточными колебаниями. Последние удалены путем фильтрации с окном 50 часов.

Рассмотрим полученные временные ряды компонент электромагнитного поля, изображенные на рис. 5. Интенсивность вариаций геоэлектрического поля составляе

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