ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 11, с. 37-49
УДК 550.837.2
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ЕСТЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ В БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЕ
© 2007 г. Ю. Ф. Мороз1' 2, Т. А. Мороз1' 2, Т. Моги3
1Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский 2ФГУГП "Иркутскгеофизика", Министерство природных ресурсов, г. Иркутск 3Институт сейсмологии и вулканологии, Университет Хоккайдо, Япония Поступила в редакцию 26.04.2006 г.
Изучены вариации горизонтальных и вертикальных составляющих электрического поля Земли в диапазоне периодов от первых десятков секунд до суточных вариаций и более. Вариации, вызванные внешним ионосферным источником, использованы для изучения геоэлектрической неоднородности среды. Для этого по аналогии с геомагнитным полем вводится электрический типпер. Рассмотрена его частотная характеристика. Наряду с ним изучен магнитотеллурический импеданс с привлечением удаленных геомагнитных обсерваторий. По данным мониторинга электрического типпера и магнитотеллурического импеданса выявлены аномальные эффекты, которые могут быть связаны с землетрясениями с К > 12. Разработана методика выделения аномалий электрического поля, вызванных внутриземными электрическими источниками.
Ключевые слова: электрический типпер, импеданс, мониторинг, электрическое поле Земли, геоэлектрическая неоднородность.
РАС8: 91.25.Qi
В геофизических полях, используемых для изучения геодинамических процессов, важное место занимает электромагнитное поле Земли, связанное с внешними (ионосферным, магнитосферным) и внутриземными источниками. Внешние электрические токи индуцируют в Земле магнитотеллуриче-ское (МТ) поле различной частоты и интенсивности. Наблюдая на земной поверхности составляющие этого поля, можно контролировать во времени изменение электропроводности литосферы на различных глубинах. Наряду с магнитотеллурическим полем в Земле могут возникать электрические поля, вызванные внутриземными источниками, связанными с электрокинетическими, электрохимическими, пьезоэлектрическими и другими явлениями, которые отражают геодинамику литосферы.
Настоящая статья посвящена изучению электропроводности среды в Байкальской рифтовой зоне. Здесь в последние годы ведется активная работа по созданию системы наблюдений электромагнитного поля вокруг южной части оз. Байкал. Важной частью этой системы является регистрация вариаций горизонтальных составляющих электрического поля на земной поверхности и его вертикальной составляющей в скважинах. Это дает возможность получить достаточно полную информацию о поведении электрического поля Земли в пространстве и во времени и его возможной связи с геодинамическими процессами в Байкальской
рифтовой зоне. К настоящему времени накоплен большой объем информации в двух пунктах создаваемой сети: в пп. Узур и Тырган. На основе этих данных рассмотрены результаты изучения электрического поля Земли.
МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ
Пункт Узур находится на острове Ольхон, а пункт Тырган на западном побережье оз. Байкал (рис. 1). Расстояние между ними около 115 км. Пункты мониторинга электрического поля выбраны по данным предварительных наблюдений. Важно было, чтобы на них не было технических помех и геоэлектрическая среда являлась резко неоднородной. По результатам первоначальных наблюдений определены направления осей геоэлектрической неоднородности среды. Они ориентированы вдоль и вкрест простирания береговых линий острова Ольхон и озера Байкал. По этим направлениям ориентированы измерительные линии (рис. 2). Длина основных диполей в пп. Тырган и Узур - 240 м и 250 м (01, 02, 03, 04), дополнительных - 120 м и 125 м (05, 06, 07, 08), соответственно. В качестве заземлений использованы свинцовые электроды, опущенные на глубину 4 м. Наряду с горизонтальными компонентами электрического поля на обоих пунктах осуществляется регистрация вертикальной компоненты в
102° 108°
102° 108°
О 1 * 2 \ 3
Рис. 1. Схема расположения пунктов наблюдений электрического поля Земли: 1 - пункты наблюдений электрического поля; 2 - обсерватории геомагнитного поля; 3 - вещественные электрические стрелки (цифрой обозначен период вариаций); 4 - разломы [Солоненко, 1968].
•5 1
Рис. 2. Схема расположения измерительных линий в пп. Узур (а) и Тырган (б). Цифрами обозначены номера электродов. Вертикальный канал в центре установки. Масштаб приведен для измерительных линий.
скважинах, затампонированных глиной. Глубина скважин 44 м. Длина вертикальных диполей 40 м. Регистрация вариаций электрического поля производится современной японской аппаратурой (DATAMARK) в цифровом виде, с дискретностью 10 с. Кроме этого на удаленных обсерваториях Энхалук и Патроны регистрируются компоненты
геомагнитного поля Н, В и 2 в цифровом виде с дискретностью 1 мин (рис. 1).
В качестве примера на рис. 3 приведены суточные временные ряды электрического поля с дискретностью 10 с в пп. Узур и Тырган. Электротеллурические вариации выражены на графиках в виде "шума". Интенсивность этих вариаций в
Ey, мВ/км 300
(a)
200 100 0
-100
Аз 15°
Ey, мВ/км 660 656 652 648 644 640
(б)
Аз 72°
Ex, мВ/км
1000 г
900 800 700 600
Аз 105°
_i_I_I_L
Ez, мВ/км 5600 5500 5400
5300 5200
0
4000 с х 10
Ex, мВ/км -504 -508 -512 -516 -520 -524
Ez, мВ/км 4640 4636 4632 4628 4624 4620
0
Аз 162°
2000
4000 с х 10
6000
8000
Рис. 3. Графики напряженности электрического поля Земли в пп. Тырган (а) и Узур (б). Время наблюдений; 06.07.05 (с 00.00.00 по 23.29.00 ч).
п. Тырган в 20 раз выше, чем в п. Узур, что связано с различным геологическим строением. Также следует обратить внимание, что в обоих пунктах интенсивность вертикального электрического поля заметно выше горизонтального. Это, как будет показано ниже, связано с влиянием геоэлектрической неоднородности среды.
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА ЭЛЕКТРОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
В основе электротеллурических исследований лежит допущение, что первичное поле можно представить полем плоской волны, нормально падающей на границу земля-воздух [Бердичевский, 1960; 1981]. В рамках этого приближения в горизонтально-однородных средах компонента Ez равна нулю. В средах, содержащих геоэлектрические неоднородности, компонента Ez отлична от нуля. Мониторинг вертикальной и горизонтальных компонент электрического поля дает информацию о геоэлектрических неоднородностях среды.
По аналогии с геомагнитном полем [Бердичевский, 1981; Schmucker, 1970; Parkinson, 1973; Wiese, 1965] связь между вертикальной и горизонтальными составляющими электротеллурического поля в частотной области можно представить в следующем виде:
где P = [PzXPzy]
Ez
Ez = P E гор 5
PzXEX + PzyEy 5
где Ez, Ex, Ey - составляющие электрического поля, Pzx, Pzy - компоненты матрицы, зависящие от частоты, распределения электропроводности в Земле и ориентации координатных осей.
Матрицу P мы назовем электрическим типпе-ром, по анологии с магнитным типпером (tipper), введенным К. Возоффом [Vozoff, 1972]. Как и магнитный типпер, электрический типпер представляет собой матрицу опрокидывания, преобразуя горизонтальную составляющую в вертикальную.
Инварианты матрицы P записываются дующем виде:
сле-
p = JP\
2 + р2
zy^
IIP = J\Pzx\2 + |Pzy|2,
где ||p - норма матрицы.
Как и магнитный типпер [Бердичевский, 1981; Schmucker, 1970; Parkinson, 1973; Wiese, 1965], электрический типпер можно изобразить графически в виде полярной диаграммы, вещественных и мнимых стрелок, электрического вектора.
Уравнение электрической полярной диаграммы имеет вид:
\PZy(a)\ =
I 2 2 —
= A]PZx cos а + Pzy sin а + 2RsPzxPZy sin a cos а,
где горизонтальная черта означает комплексную сопряженность.
Полярная диаграмма представляет собой симметричный овал или двухлепестковую кривую с взаимно перпендикулярными главными осями. В двумерной модели она имеет вид восьмерки с лепестками, вытянутыми в направлении перпендикулярном к оси однородности среды. Также выглядит диаграмма в осесимметричной модели. В этом случае лепестки вытянуты в радиальном направлении.
Электрический типпер может быть представлен в виде вещественной и мнимой стрелок:
+ Re PZyI y
ReP = Re PZxI ImP = Im PZxI x + Im P
zyIy.
Вектор ReP характеризует влияние активных избыточных токов, находящихся в фазе с горизонтальным электрическим полем. Вектор 1тР отражает влияние реактивных избыточных токов, фаза которых отличается от фазы горизонтального электрического поля на п/2. В двумерной модели вещественные и мнимые стрелки коллинеарны.
По аналогии с магнитовариационным вектором [Бердичевский, 1991], электрический типпер можно изобразить в виде электрического вектора V, направленного по большой оси эллипса поляризации квазипоперечного горизонтального электрического поля и имеющего величину равную
||Р||. Фаза вектора определяется как аргумент инварианта Р.
ф = arg P = argVPz2x + P
гу-
Электрическая фаза не зависит от направления координатных осей. Она отражает вклад активных и реактивных токов. При ф близком к 0 или п, в Ег преобладает вклад активных токов, а при приближении ф к п/2 - вклад реактивных токов. Электрические полярные диаграммы, вещественные и мнимые стрелки, электрический вектор характеризуют геоэлектрическую неоднородность среды.
Обратимся к экспериментальным данным в п. Тырган, где мы располагаем более длинным временным рядом вертикальной и горизонтальных компонент электрического поля. Здесь наблюдения осуществляются с 2003 года. Для получения типпера использована программа ^атееп, 1996; 1997]. С ее помощью определены компоненты типпера Ргх, Ру, вещественные ^еР) и мнимые стрелки (ImP), электрический вектор V, полярные диаграммы Ргх(а).
В начале рассмотрим частотные характеристики электрического типпера. Они получены по данным трехмесячной непрерывной регистрации электрического поля с дискретностью 10 с. На рис. 4а, 46, 4в представлены частотные кривые вещественных и мнимых стрелок (ReP и ImP) электрического вектора (V) и максимальной компоненты типпера (таХРгх).
Обратимся к вещественным и мнимым стрелкам (рис. 4а). Модуль вещественной стрелки возрастает с увеличением периода вариаций, что свиде
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.