ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 2, с. 66-72
УДК 550.348
ОСОБЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ
© 2014 г. В. В. Адушкин, А. А. Спивак, В. А. Харламов
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 16.04.2013 г.
Приведены результаты анализа данных инструментальных наблюдений за геомагнитными вариациями в условиях среднеширотной обстановки. Определены основные периодичности локальных фоновых вариаций магнитного поля Земли. Наряду с вариациями 27—29 сут, вызываемые периодичностью обращения Солнца вокруг своей оси, зарегистрированы также периодичности с периодами ~1; 6—8; 13—14; 57—60 сут и около года. Показано, что периодичности фоновых вариаций имеют регулярный и спорадический характер. Установлены особенности изменения во времени отдельных спектральных составляющих геомагнитных вариаций.
Ключевые слова: геомагнитные вариации, периодичность, магнитный типпер. БО1: 10.7868/80002333714010013
ВВВЕДЕНИЕ
Повышенный интерес к вариациям геофизических полей связан, прежде всего, с установлением условий среды обитания, которая не статична, а ее изменчивость напрямую определяет приспособленность к окружающей среде и эволюционную направленность изменений биологических организмов, в первую очередь человека [Экология..., 2006]. Электрические и магнитные поля имеют особое значение, поскольку нарушение условий передачи и восприятия органами человека электромагнитных управляющих сигналов — одна из основных причин разбалансировки организма, ухудшения его функционального состояния [Колесник др., 2009; Экология., 2006; Казначеев, Михайлова, 1985].
Магнитное поле Земли характеризуется как величиной его постоянного значения, так и переменными составляющими иррегулярного и квазипериодического характера, связанными с возмущающим влиянием внутренних и внешних источников. Периодичности временных геомагнитных вариаций отражают глобальные процессы в токовых системах жидкого ядра Земли и соответственно в функционировании геодинамо, а также вариации солнечной активности и, как следствие, — ионосферных и магнитосферных возмущений. Наряду с глобальными процессами на вариации геомагнитного поля могут оказывать влияние изменения электрокинетических и геомеханических характеристик и, в первую очередь, блочные структуры, их напряженно-деформированного состояния и флюидонасыщенность верхних участков
земной коры [Бердичевский и др., 2003; Колесник и др., 2009].
Имеет определенное фундаментальное значение изучение локальных длиннопериодных геомагнитных вариаций, поскольку эти геомагнитные вариации, зарегистрированные на земной поверхности, могут содержать информацию о развитии геодинамических процессов как в недрах Земли и на приповерхностных участках земной коры, так и в верхних слоях литосферы [Колесник и др., 2009; Атлас., 1994; Бердичевский и др., 2003]. Анализ этой информации предоставляет новые возможности для исследования свойств и геодинамических режимов локальных участков земной коры, что представляет несомненный интерес для разработки новых перспективных методов диагностики среды с целью выбора и обоснования площадок под строительство особо ответственных сооружений и объектов, а также — обеспечения их долговременной безопасной эксплуатации.
По мере развития новых современных технологий возрастает также и прикладное значение исследований вариаций естественного электромагнитного фона при высокоточных измерениях и прецизионном производстве на микро- и нано-масштабном уровне, например, в биотехнологии, при производстве электронных элементов и микросборок для современной электронной и вычислительной техники, в том числе в связи с развитием и внедрением нанотехнологий.
ОСОБЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ
67
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
В качестве исходных данных в настоящей работе использовались результаты инструментальных наблюдений за локальными геомагнитными вариациями в широком диапазоне периодов, выполненных в течение 2008—2012 гг. на Геофизической обсерватории "Михнево", расположенной в центральной части Восточно-Европейской платформы (54.960 N 37.7740 Е) [Адушкин и др., 2005]. Обсерватория расположена на юге Московской области вдали от крупных промышленных объектов в зоне влияния глубинной тектонической структуры — Нелидово-Рязанской шовной зоны (НРШЗ), приуроченной к руслу р. Оки.
Геологическое строение территории ГФО "Михнево" характеризуется тектонической двухярусно-стью. Нижний структурный этаж представлен кристаллическим фундаментом, верхний — осадочным чехлом мощностью около 1.3 км, который сложен верхнепротерозойскими, девонскими, каменноугольными и мезо-кайнозойскими отложениями [Иванченко, Горбунова, 2008].
Основной неотектонически активной морфо-структурой района является Окский участок крупной трансрегиональной структуры НРШЗ, которая отнесена к глубинному разлому II порядка, расчленяющему осадочный чехол в пределах исследуемого Приокского участка на два мегаблока — северный и южный.
Свидетельством возможной активности НРШЗ в новейшее время является приуроченность к ней крупных эрозионных форм, в частности, долины р. Оки. с высоким правым бортом и террасированным левым. Этот участок долины обладает выраженными морфоструктурными признаками тектонической зоны, активизированной в современном поле напряжений.
Регистрация локальных геомагнитных вариаций выполнялась с помощью трехкомпонентного феррозондового магнитометра LEMI-018, электронный блок которого обеспечивает соответствующее преобразование данных, получаемых с фер-розондового датчика, их обработку и накопление с дискретностью 1 с. Для анализа вариаций привлекались цифровые ряды, сформированные с дискретностью 1 мин. Результаты регистрации магнитного поля Земли на ГФО "Михнево" размещены на сайте ИДГ РАН [м!§—сортр/скрк/га8Ди/~т1ккпе-уо/ёа1а/та§пе1/].
ПЕРИОДИЧНОСТИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ
Имеющиеся данные [Атлас..., 2002; Колесник и др., 2009; Мороз и др., 2011] свидетельствуют о том, что величина компонент геомагнитного поля не постоянна во времени. Хорошо фиксируются как медленные, так и быстрые их вариации.
Временные вариации классифицируются с учетом источника их происхождения. Так, например, выделяют длиннопериодные вариации с периодом несколько лет, причиной которых являются внутренние источники Земли, регулярные вариации магнитного поля с периодом около 27 сут, обусловленные периодичностью солнечной активности, связанной с периодом обращения Солнца вокруг своей оси. Иррегулярные геомагнитные вариации в виде магнитных бурь и суббурь (глобальных и локальных), суточные вариации и пульсации, которые вызываются внешними ионосферными и магнитосферными источниками. Наряду с длиннопериодными известны короткопериодные низкоамплитудные вариации (0.1—10 нТл), например, Рс и Р1 геомагнитные пульсации с периодами от 0.2 с до 10 мин, вызываемые ионно-циклотронными и гидромагнитными волнами в магнитосфере Земли.
В настоящей работе анализировались локальные длиннопериодные геомагнитные вариации с периодами Т > 0.5 сут. Периодичности геомагнитных вариаций определялись на основе результатов вейвлет-анализа данных, который выполнялся с помощью хорошо локализованного в к- и г-про-странстве вейвлета МогМ [Астафьева, 1996; Манд-рикова и др., 2013]:
= ехр (¡к0г) ехр < -
у (к) = 0(к) ехр
(к - ко)2
где к0 — порядок вейвлета.
Предварительно определялись локальные фоновые вариации магнитного поля Земли в невозмущенном состоянии. В качестве примера на рис. 1 приведены характерные суточные вариации компонент магнитного поля Земли в отсутствие возмущений (локальный индекс магнитной активности К ~ 0 в течении суток). Фоновые изменения геомагнитного поля суточной периодичности определяются вариациями, связанными с вариациями токовой системы, развивающейся на освещенной Солнцем стороне Земли, и составляют по амплитуде 10—15 нТл.
На рис. 2 представлены результаты спектрального анализа данных за весь период наблюдений, которые свидетельствуют о наличии ряда ярко выраженных периодичностей. Наряду с известными 27 суточными вариациями магнитного поля Земли на ГФО "Михнево" наблюдаются локальные геомагнитные вариации с периодами около суток, а также 6—8, 12—14 и 57—60 сут. По результатам обработки данных за весь период 2008—2012 гг. легко выделяются периодичности около 120 сут и около 1 года.
15.74
48.26
12
16
20 24
Время, час
Рис. 1. Пример локальных фоновых суточных вариаций индукции геомагнитного поля на ГФО "Михнево" ИДГ РАН (19.09.2011 г.); компоненты Вх — направление восток—запад; Ву — направление север—юг и Вг — вертикальная составляющая.
0
4
8
СПМ, нТл/{1/ч}1/2 50
40 -
30 -
20
10
10
100
Период, сут
Рис. 2. Спектральная плотность мощности геомагнитных вариаций на ГФО "Михнево" в диапазоне периодов 0.5—100 сут.
Более детальный анализ результатов инструментальных наблюдений свидетельствует о сложном характере геомагнитных вариаций. В качестве примера на рис. 3 приведены результаты вей-влет-анализа геомагнитных вариаций за период февраль—август 2011 г. в диапазоне 0—6 сут. Из представленной скалограммы следует, что в фо-1
новых геомагнитных вариациях выделяется ряд хорошо выраженных периодичностей, начиная от полусуточных и суточных. При этом важно отметить, что интенсивность геомагнитных вариаций не постоянна во времени, а для некоторых периодов даже имеет спорадический характер. Как это видно из скалограммы рис. 3, временные интервалы, когда наблюдаются ярко выраженные периодичности геомагнитных вариаций, сменяются периодами спада амплитуды вариаций и даже полного отсутствия некоторых из установленных периодичностей (например, 6-ти суточные периодичности наиболее отчетливо проявляются
1 Спорадические достаточно мощные геомагнитные вариации, связанные с магнитными бурями, длительностью от нескольких часов до первых суток не формируют периодическую составляющую.
0
1
Рис. 3. Скалограмма геомагнитных вариаций за период февраль—август 2011 г. ^
та
и» Рис. 4. Скалограммы геомагнитных вариаций за 2011—2012 гг. в диапазоне периодов 60—240 сут (а) и за февраль 2011 г. в диапазоне периодов 0.5—11
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.