ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 3, с. 105-113
УДК 550.372+551.2
К ВОПРОСУ О ВЗАИМОСВЯЗИ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
© 2013 г. Е. А. Баталева, В. Ю. Баталев, А. К. Рыбин
ФГБУННаучная станция РАН, г. Бишкек, Киргизия Поступила в редакцию 21.05.2012 г.
Исследовано поведение вариаций электропроводности земной коры в широком диапазоне периодов по данным магнитотеллурических зондирований (МТЗ) во время Камбаратинского эксперимента (мощный промышленный взрыв по возведению взрывонабросной плотины на р. Нарын), а также на стационарном пункте геофизического мониторинга Аксу. Получено экспериментальное подтверждение концепции взаимосвязи напряженно-деформированного состояния среды с изменением кажущегося электросопротивления, основанной на идее перераспределения минерализованных растворов между системами трещин. Разработана методика азимутального мониторинга, позволившая выделить не только аномальные изменения модуля и фазы кажущегося сопротивления, но и определить направления, соответствующие их максимальному увеличению и уменьшению (оси сжатия и растяжения). Для 34 пунктов глубинных МТЗ на территории Центрального Тянь-Шаня выделены интервалы глубин в верхней части земной коры, наиболее чувствительные к изменению напряженно-деформированного состояния среды. Проведено сопоставление вариаций электропроводности и лунно-солнечных приливных воздействий. Показано, что в регистрируемых временных рядах удается выделить характерные признаки изменений напряженно-деформированного состояния среды, обусловленных сейсмическими событиями.
Ключевые слова: вариации электропроводности Земли, геофизический мониторинг, магнитотеллу-рические зондирования, землетрясения, промышленные взрывы.
Б01: 10.7868/80002333713030034
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время устанавливается все больше фактов, раскрывающих взаимосвязь современных природных и техногенных геодинамических процессов и вариаций физических свойств горных пород [Сидорин, 1992; Проявление ..., 1993; Современная ..., 2005; Рыбин, 2011; Баталева и др., 2011]. Изменения напряженно-деформированного состояния геологической среды обуславливают вариации физических свойств горных пород во времени, которые, в свою очередь, служат источниками аномальных изменений геофизических полей. Прогресс в исследовании их взаимосвязи зависит от развития экспериментальных (лабораторных и полевых) работ, проводимых с целью лучшего понимания природы и закономерностей современных геодинамических процессов и сопровождающих их изменений физических свойств горных пород. Систематические наблюдения, проводимые на протяжении последних десятилетий, как российскими, так и зарубежными учеными, свидетельствуют о том, что перед крупными землетрясениями в зоне формирования будущего очага и на удалении от него наблюдается аномальное поведение геофизических полей, которые интерпретируются как предвестники гото-
вящегося сейсмического события. Иногда аномальные геофизические явления регистрируются аппаратурными комплексами на значительных удалениях от формирующейся эпицентральной зоны [Соболев, Пономарев, 2003]. Интересным является и тот факт, что при подготовке сейсмического события происходит изменение поля микротрещин в геологической среде под действием локальных напряжений и других геолого-геофизических процессов, связанных с флюидной активностью в регионе [Сидорин, 1992; Николаевский, 1996].
Начиная с конца прошлого столетия, Научная станция РАН ведет активное изучение временных рядов наблюдаемых геофизических параметров и их аномальных возмущений. Результаты этих работ достаточно подробно отражены в коллективной монографии под редакцией В.И. Макарова [Современная . , 2005] и в ряде других работ [Проявление ..., 1993; Брагин, 2001; Рыбин и др., 2010; 2011; Матюков и др., 2010].
Вариации магнитотеллурических (МТ) параметров, исследуемые в настоящей работе, могут быть индикатором современной активности тектонических структур и отражать геодинамические процессы, вызывающие изменения напряженно-
Рис. 1. Схема расположения магнитотеллурической станции Феникс MTU 5D во время проведения Кам-баратинского промышленного взрыва 22 декабря 2009 г.
деформированного состояния среды. Выразительный результат, подтверждающий взаимосвязь изменений напряженно-деформационного состояния блоков земной коры с вариациями электропроводности, получен в ходе выполнения МТ мониторинга во время Камбаратинского промышленного взрыва.
РЕЗУЛЬТАТЫ КАМБАРАТИНСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА АЗИМУТАЛЬНОГО МТ МОНИТОРИНГА
Рассмотрим возможные способы и подходы к исследованию вариаций электропроводности по результатам МТ мониторинга на примере Камба-ратинского промышленного взрыва, где, как нам представляется, отчетливо проявилась реакции среды в виде вариаций электросопротивления на изменение деформационного состояния земной коры. Камбаратинский эксперимент (22 декабря 2009 г.) включал в себя сейсмологические, электромагнитные и GPS наблюдения, выполненные силами Научной станции РАН (рис. 1). Мощность промышленного взрыва составляла 2.8 Кт в тротиловом эквиваленте. Расстояние от пункта взрыва до магнитотеллурической станции Феникс MTU-5D равнялось 5.7 км. Полученные в эксперименте сейсмические данные позволили установить наличие обусловленных взрывом подвижек по разлому, прилегающему к пункту взрыва, и зафиксировать через 12 с после взрыва серию наведенных слабых сейсмических событий на расстоянии около 16 км от пункта взрыва.
В ходе эксперимента производилась регистрация двух горизонтальных компонент электрического поля и трех компонент магнитного поля. Магнитотеллурические зондирования выполнялись в течение суток до момента взрыва и двух суток после взрыва с частотой дискретизации 24 Гц. То есть, компоненты тензора импеданса определялись по направлениям xy и yx, (азимуты 0° и 90°) в течение трех суток. Все время регистрации (около 70 час) было разделено на непересекающиеся пронумерованные интервалы продолжительностью по одному часу для последующей независимой обработки данных. Обработка МТ-реа-лизаций такой продолжительности обеспечивает достаточно устойчивое определение значений тензора импеданса на периодах до 100 с, что значительно превышает необходимую глубинность исследований (подавляющее большинство гипоцентров землетрясений Киргизского Тянь-Шаня находятся на глубинах до 10—15 км). На следующем этапе обработки осуществлялся пересчет значений тензора импеданса для каждой из часовых реализаций на азимуты через 15° [Бердичев-ский и др., 1997] и расчет средних кривых кажущегося сопротивления Ro-av до момента взрыва по каждому направлению. Вычисление отклонения текущей ориентированной кривой кажущегося сопротивления Ro от средней кривой Ro-av по всем часовым интервалам и для всех рассматриваемых азимутов является итоговой процедурой определения азимутальных характеристик вариаций электросопротивления.
Точность пересчета значений тензора импеданса на произвольный азимут была проверена на практике с помощью специального эксперимента, в котором после производства МТ зондирований в обычном режиме, измерительные установки станций Феникс MTU-5D были развернуты на 45° и вновь выполнены зондирования. На рис. 2 показано сопоставление кривых кажущегося сопротивления, измеренных по азимуту 0° с кривыми, измеренными на азимуте —45° и пересчитанными на азимут 0°. С учетом точности единичного измерения, погрешность пересчета является вполне удовлетворительной. Стандартная (среднеквадратичная) погрешность составляет ±1.3 Ом м. Поскольку значения кажущегося сопротивления лежат выше 50 Ом м, то погрешность не превышает 3%.
Азимутальные характеристики вариаций компонент тензора импеданса могут быть представлены как в виде частотно-временных рядов, ориентированных по выбранным азимутам так и в виде семейства ориентированных кривых. На рис. 3 в качестве примера представлено семейство ориентированных кривых отклонения кажущегося сопротивления Ro от средних значений Ro-av до взрыва в зависимости от периода МТ зондирований для 37-го часа после момента взрыва. Рас-
Кажущееся сопротивление, Ом м 1000
100
Пересчитано на (0) Измерено на (0)
10 0.01
_|_I_I_I I I 11 I_I_I_I_I I I I I I_I_I_I_I I I 11 I_I_I_I_I I I 11 I
0.1
10 100 Период, с
Рис. 2. Сопоставление кривых кажущегося сопротивления (п. Аксу), измеренных по азимуту 0° с кривыми, измеренными на азимуте —45° и пересчитанными на азимут 0°.
1
смотрим поведение этих вариаций на рис. 3 в зависимости от периода и азимутов. Обращает на себя внимание то, что для 37-го часа в интервале периодов -2 < 1ё10(7) < -0.7; (0.01 < Т< 0.2 с) вариации электросопротивления по всем азимутам очень близки к нулю. Это свидетельствует о том, что в указанном интервале периодов (эффективная глубина проникновения поля ~0.6-2 км) существенных отклонений электросопротивления от среднего во времени не происходит. Далее для периодов -0.7 < ^10(7) < 0.1, (0.2 < Т< 1.2 с), что соответствует эффективной глубине проникновения поля ~2-5 км, наблюдается анизотропное изменение значений электросопротивления: для азимутов 75°-90° - возрастание, а для ортогонального направления 0°-15° - уменьшение. Такое поведение наблюдается практически для всех часовых интервалов МТЗ после взрыва, за исключением сильно зашумленных. Это хорошо видно на рис. 4, где представлены данные мониторинга в виде частотно-временных рядов по двум азимутам.
Отметим, что согласно рис. 1, основные тектонические структуры в районе проведения Камба-ратинского промышленного взрыва имеют субширотную ориентацию. Наблюдаемое на рис. 3, рис. 4 увеличение электросопротивления в субмеридиональном (ху) и его уменьшение в субширотном (ух) направлениях, может свидетельствовать о произошедшей в данных направлениях тектонической разрядке.
Таким образом, на основе анализа азимутальных зависимостей вариаций электропроводности в массивах горных пород, могут быть получены дополнительные характеристики процесса изменения тектонических напряжений для сопоставления с другими геофизическими параметрами, имеющими зависимость от направления.
РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО
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.