Электромагнитная эмиссия литосферы: пространственная структура и возможные механизмы генерации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитная эмиссия литосферы: пространственная структура и возможные механизмы генерации

Как известно, в последние годы значительно повысился интерес к изучению электромагнитных сигналов литосферного происхождения в связи с возможностью их использования для решения прикладных задач изучения структуры земной коры и геодинамических процессов в ней. Ряд вопросов, относящихся к данной проблеме, включая эффекты механоэлектромагнитных преобразований, уравнений генерации, моделей геосреды, особенностей распространения и пространственной локализации электромагнитных возмущений, рассмотрен нами в предыдущих работах [5-8]. В частности, на основе простейшей модели возбудимой геосреды в виде системы жёстких блоков, разделенных ослабленными переходными зонами и используя концепцию «захваченных» волн (обобщённых волн Релея), распространяющихся вдоль разломов, намечены контуры нового подхода к экспериментальному изучению спонтанных электромагнитных возмущений радиоволнового (килогерцового) диапазона. Предложена система нелинейных уравнений генерации возмущений, обладающая в общем случае пространственно-локализованными, неподвижными и сложно движущимися решениями и обобщающая известные уравнения генерации Гульельми - Левшенко [1, 3, 9-11]. При этом в качестве базового процесса механоэлектромагнитных трансформаций принимается преобразование механической энергии в электромагнитную на фронте распространяющихся вдоль разломных зон волновых возмущений - локализованных неравновесных областей (возмущений объёмной деформации). Ясно, что распространяющиеся вдоль разломов (зон сочленения блоков) возмущения объёмной деформации обуславливают быстрые изменения порового давления и фильтрационные перетоки порового флюида, раскрытие и закрытие трещин в блоках, изменение объёма пустот, быстрое сжатие пор, появление и распространение точечных дефектов кристаллической решетки в приконтактных областях самих жёстких блоков и таким образом способствуют проявлению механоэлектромагнитных преобразований, в частности, появлению магнитогидродинамических, электрокинетических эффектов, переходного излучения (рассеяния). Однако, существенные вопросы, относящиеся к механизмам механоэлектромагнитных трансформаций в широком диапазоне частот и обнаруженным экспериментально особенностям пространственного распределения интенсивности излучения, все ещё остаются открытыми и нуждаются в дальнейшем изучении. Их более детальному рассмотрению и посвятим дальнейшее изложение, акцентируя внимание на физической стороне проблемы и возможностях использования полученных результатов для практических приложений. Последнее обстоятельство представляется и актуальным и необходимым.

Исходные уравнения. Примем модель земной коры в качестве пористой влагонасыщенной однородной среды, обладающей магнитной структурой и помещённой в постоянное внешнее магнитное поле земного ядра . Предположим, что среда движется со скоростью , и будем исходить из квазистационарной системы уравнений Максвелла

, (1)

где и - напряжённость магнитного и электрического поля, - плотность тока,  - магнитная индукция, - скорость света.

Предположим далее, что среда движется относительно наблюдателя достаточно медленно . Тогда при галилеевом преобразовании

(2)

уравнения для неподвижной среды (1) переходят в

, (3)

где .

Как известно [12,13], рассматриваемые преобразования Галилея - это нерелятивистский предел преобразований Лоренца для полных уравнений Максвелла. Существенно, что и в данном приближении инвариантны относительно галилеева преобразования, в то время как не является инвариантом. В этом случае представляет собой электрическое поле, измеренное наблюдателем, движущимся со средой.

Равенство (3) следует дополнить соотношением

, (4)

где - вектор намагниченности или магнитный момент единицы объёма рассматриваемой среды.

Напомним, что если среда намагничена в системе покоя, то в движущейся относительно неё системе она, вообще говоря, будет иметь также и электрическую поляризацию . Иначе говоря, если , а , то в нерелетявистском пределе имеем [12,13]

Но, в случае квазистационарного приближения для относительно медленно движущихся сред (на релятивистском пределе) можно положить .

Дополним далее для выбранной модели проводящей среды, содержащей заполненные жидкостью каналы и движущейся в главном геомагнитном поле со скоростью , уравнения (3), (4) законом Ома в следующей простой форме [3]

, (5а)

где - коэффициент потокового потенциала или электрокинетический коэффициент, - диэлектрическая проницаемость раствора, - электрокинетический потенциал, - коэффициент вязкости жидкости, - средняя электропроводность среды, - безразмерный коэффициент, - давление на концах капилляра. В случае больших глубин под величиной в формуле (5) обычно понимают избыточное над гидростатическим давление поровой жидкости.

Очевидно, что указанные параметры среды и градиент давления зависят от многих факторов и, к сожалению, зачастую задаются достаточно произвольно [3,10]. Если скорость - заданная функция, тогда в системе координат, связанной с твёрдым скелетом породы, на единицу объёма жидкости в капиллярах действует сила инерции . Соответственно, заменяя в (5) на , можно записать [3]

. (5б)

Уравнение генерации. Конкретизируя связь с деформацией среды, комбинируя далее формулы (3), (4), (5) и привлекая дополнительную информацию о механоэлектромагнитных преобразованиях, в первом приближении по деформации А. Гульельми и В. Левшенко приходят к следующему достаточно общему уравнению генерации сейсмомагнитных сигналов литосферного происхождения [1, 9, 10]

, (6)

единообразно описывающему возбуждение магнитного поля в результате действия квазистатических и динамических источников. При этом механизмы генерации, действующие за счёт вектора перемещений , скорости деформации и ускорения названы ими соответственно деформационным, индукционным и инерционным.

Деформационным, к примеру, является пьезомагнитный механизм.

Сущность индукционного механизма состоит в том, что электромагнитные возмущения возбуждаются при движении проводящей среды во внешнем магнитном поле Земли (Главном геомагнитном поле). Уравнение генерации электромагнитных возмущений в результате действия индукционного механизма примет вид

, (7)

где - магнитное поле сейсмической волны, - скорость движения горных пород, - главное геомагнитное поле, - проводимость среды. Здесь также использовано приближение . Напряжённость электрического поля при этом может быть найдено из соотношения

.

При ускорении движения горных пород возникают силы инерции, приводящие в действие так называемый инерционный механизм генерации геомагнитных возмущений. Его суть состоит в том, что здесь основное внимание уделяется процессу увлечения ионов жидкости в капиллярах вследствие инерционного движения жидкости относительно твёрдого скелета. Соответствующее уравнение генерации имеет вид [3, 9, 11]

, (8)

где - коэффициент механомагнитной трансформации,

- некая эффективная масса, зависящая от параметров среды,

- элементарный электрический заряд.

Из уравнения (8) видно, что источниками сейсмомагнитного поля служат линии поля ускорений [10, 11]. При этом среда локально полностью характеризуется параметрами и .

Принято считать, что электрокинетические токи способны вызывать магнитные возмущения лишь в анизотропной или неоднородной среде [3]. При этом сейсмоэлектрическими явлениями в принципе можно объяснить экспериментально регистрируемые величины электрических сигналов. Однако появление магнитных возмущений в рамках данного механизма объяснить не удаётся. Предполагается, что в магнитной составляющей возмущений преобладает индукционный сейсмомагнитный эффект, а в электрической - сейсмоэлектрический [3].

Переходное излучение и переходное рассеяние. В качестве возможных механизмов генерации электромагнитных возмущений в работах [7, 8] предложено рассматривать переходное излучение (рассеяние). Как известно [14], переходное излучение, понимаемое в широком смысле, возникает при движении заряда с любой скоростью, если диэлектрическая проницаемость окружающей среды изменяется в пространстве и (или) во времени. Согласно [14], при падении волны проницаемости даже на покоящийся заряд в его окрестности возникает переменная поляризация и образуется уходящая от заряда волна - продукт переходного рассеяния. Это рассеяние, очевидно, коренным образом отличается от обычного, связанного с колебанием частицы в поле падающей волны. Существенно, что переходное рассеяние возможно не только на отдельных зарядах, но и сгустках зарядов, на электрических и магнитных диполях и других рассеивателях [14].

Очевидно, что раскрытие или закрытие трещин, изменение объёма пустот, фильтрационные перетоки флюида и другие явления, локализирующиеся в окрестности фронта распространяющейся в среде ударной волны, могут создать условия, необходимые для появления переходного излучения (рассеяния). Ясно, что это заключение может иметь фундаментальное значение при рассмотрении вопросов генерации электромагнитных возмущений в геологической среде [7].

Следуя [14], рассмотрим переходное излучение заряженной частицы в нестационарной среде. С целью максимального упрощения задачи, как и ранее, будем считать, что среда изотропна и характеризуется значением диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости , которые в момент времени скачком меняются от значений до значений . В рассматриваемой среде с постоянной скоростью движется заряд .

При решении задачи будем исходить из системы уравнений Максвелла

(9)

в которой плотность тока, создаваемая зарядом , равна

, (10)

- дельта-функция.

В силу пространственной однородности задачи, интегрируемые функции координат, входящие в систему (9), удобно разложить по пространственным гармоникам Фурье

(11)

где . (12)

Далее следует подставить эти соотношения в систему (9), решить соответствующие уравнения и сшить решения при . Условия сшивки непосредственно следуют из уравнений Максвелла (9) [14]

.

После упрощений [14], задача сводится к уравнению для

. (13)

Не нарушая общности, можно положить [14]

где .

В итоге задача сводится к решению одного скалярного уравнения

. (14)

Его решение равно сумме решений неоднородного уравнения (поля частицы ) и однородного уравнения (поля излучения )

,

где (15)

Коэффициенты и определяют амплитуды волн, распространяющихся в направлении волнового вектора (амплитуда ) и в обратном направлении (амплитуда ). При поле излучения отсутствует.

Магнитное поле определяется с помощью соотношений

(16)

Из условий сшивки решений при находим [14, c. 49]

. (17)

Введём далее угол излучения как угол между волновым вектором и скоростью . Как легко убедиться, в этом случае магнитное поле волны излучения , распространяющейся вперёд, вдоль , будет пропорциональным произведению

(18)

и, соответственно, сосредоточенным в некотором «конусе излучения», зависящим от угла . Последнее обстоятельство представляется крайне важным, хотя, разумеется, в силу чрезмерной упрощённости модели, в которой переходное рассеяние происходит в однородной среде (а не в некоторой локальной, к примеру, межблоковой зоне) оно и носит ограниченный характер. Тем не менее, здесь важна принципиальная сторона явления - наличие пространственного конуса, в котором оно и может распространяться.

Можно предположить, что геометрические характеристики этого конуса могут быть обнаружены и детализированы экспериментально на известных геологических структурах. Существенно, что параметры «конуса излучения» не зависят от электромагнитных характеристик среды распространения и . Примечательно, что полевой эксперимент по регистрации электромагнитного шума радиоволнового диапазона, в общем, подтверждает этот вывод! На рис. 1 приведена теоретическая диаграмма направленности поля излучения , вычисленная по формуле (18) (сплошная линия), определяющая соответствующий «конус излучения» и «конус излучения», полученный в результате полевых измерений на профилях наблюдений над известными геологическими структурами (штриховая линия). Отмеченные особенности поля излучения мы обсудим позднее, а сейчас остановимся на двух моментах. Очевидно, что для исследования переходного рассеяния в общем случае ток частицы можно считать заданным и использовать систему уравнений Максвелла (9) с некоторой периодической диэлектрической проницаемостью и учесть не только пространственную, но и временную модуляцию, т.е. рассматривать волну диэлектрической проницаемости

, (19)

где - её волновой вектор, - круговая частота.

Тогда переходное рассеяние на покоящемся заряде происходит при . Если же скорость заряда , то излучение электромагнитных волн имеет место при (пространственно-периодическая структура) или при (среда, диэлектрическая проницаемость которой периодически изменяется только во времени [14]).

Ясно, что для относительно низкочастотных волн диэлектрической проницаемости рассеяние возможно только в том случае, если частота лежит в «окне прозрачности» геологической среды для электромагнитных волн. В этом случае возможно переходное рассеяние с образованием любых типов волн этой частоты, которые способны распространяться в данной среде [14, с. 208]. Разумеется, в общем случае реальной геологической среды - гетерогенной многофазной системы - мы имеем дело с комплексной диэлектрической проницаемостью

,

где - эквивалентная диэлектрическая проницаемость ,

- эквивалентная проводимость .

При этом , причём мнимая часть проводимости связана с инерционностью проводимости среды (например, ионного раствора), а мнимая часть проницаемости связана с инерционностью процессов поляризации.

Таким образом, мы должны рассматривать вместо (19) волну комплексной диэлектрической проницаемости. Однако, трудности восприятия этой идеи, по-видимому, существенно отягощены тем обстоятельством, что в этом случае распространяющиеся волны исключаются из рассматриваемой системы уравнений и мы имеем чисто диффузионный процесс распространения. Но, по-видимому, эффект переходного рассеяния не исчезает и при замене на , если предположить далее, что мы имеем дело с распределённой возбудимой средой, состоящей из связанных локально друг с другом активных элементов, способных формировать электромагнитный импульс в ответ на приход внешнего механического сигнала.

Мы ещё остановимся на этой стороне вопроса, а сейчас рассмотрим некоторые направления и возможности обобщения приведённых результатов. Как известно, процесс обобщения может привести к выделению важных деталей явления и тем самым помочь решению исходной задачи.

Некоторые обобщения. Очевидно, что вследствие неравномерного развития и раскрытия трещин при прохождении фронта ударной волны проницаемость поровых каналов обладает определённой анизотропией. В макроанизотропной среде, как известно, во-первых, связи плотности потока поровой жидкости и плотности электрического тока с градиентом давления жидкости имеют тензорный вид [3]

, (20)

где - тензор проводимости,

- электрокинетический тензор.

Все тензоры симметричны, однако тензор более сильно зависит от свойств геологической среды: слоистости, направлений преимущественной ориентации, трещин, проницаемости пластов в разных направлениях, чем тензор . Во-вторых, рассматривая в качестве возможных причин генерации широкополосного электромагнитного шума колебания флуктуационно-заряженных стенок разломов, берегов микротрещин, двойных электрических слоёв и других факторов, необходимо предположить, что плотность наведённого в среде тока определяется не только напряжённостью электрического поля в рассматриваемой точке среды, но и тем, как оно изменяется от точки к точке. Тогда в данной анизотропной среде обобщённый закон Ома в дифференциальной форме примет следующий вид:

, (21)

где по повторяющимся индексам производится суммирование от 1 до 3. С учётом приведённых соотношений (20), (21) для рассматриваемой анизотропно-однородной модели среды можно написать следующее обобщённое выражение для компоненты плотности тока в окрестности фронта ударной волны

. (22)

Соответственно, система уравнений Максвелла примет следующий вид

 (23)

где - единичный антисимметричный тензор III ранга,

все остальные , у которых хотя бы два индекса одинаковы, равны нулю.

Ясно, что в том случае, если все перечисленные выше механизмы генерации действуют одновременно (что соответствует физике явления), без существенных и нетривиальных упрощений выразить через не удаётся и, соответственно, не удаётся выписать обобщённое уравнение генерации способом, аналогичным [1, 11]

С учётом сделанных замечаний становится более понятным содержание и смысл предложенного ранее нелинейного обобщённого уравнения генерации электромагнитного шума литосферного происхождения

, (24)

где - матрица (коэффициент) диффузии,

- нелинейная функция,

обеспечивающее достаточно общий подход к описанию сложных пространственно-временных структур в возбудимых средах различной физической природы. Проясняется и смысл появляющейся нелинейной функции , интегрально задающей интенсивность механоэлектромагнитных преобразований в некотором элементарном объёме рассматриваемой среды. Появление и нелинейный характер этой функции меняет существо дела. Как уже отмечалось, система нелинейных уравнений вида (24) в общем случае имеет локализованные, неподвижные (типа стоячих волн) и сложно движущиеся решения. В итоге имеются весомые основания предполагать, что на их основе могут быть воспроизведены и поняты такие важные особенности спонтанных электромагнитных сигналов радиоволнового (килогерцового) диапазона, не находящихся у экспериментаторов удовлетворительной физической трактовки, как «сверхдальнее» распространение (выход излучения на дневную поверхность с глубин, значительно превосходящих мощность скин-слоя на заданной частоте) и локализацию интенсивности всплесков излучения на профилях наблюдений [4 - 8].

О нелинейных явлениях и типах нелинейности. С учётом непростого вопроса о механизмах механоэлектромагнитных преобразований в системе литосферных блоков - активной иерархически структурированной многофазной системе - целесообразно упомянуть об эффектах нелинейности и их проявлениях. В частности, в работе [11] высказаны аргументы в пользу идеи о том, что именно при малых возмущениях среды можно ожидать нелинейности механомагнитной трансформации при действии инерционного механизма генерации сейсмомагнитных сигналов. Была высказана идея о механизме генерации спонтанных электромагнитных сигналов, связанных с резонансными свойствами неоднородностей в земной коре [1]. Здесь речь идёт о частотной трансформации и переизлучении волновых полей распределёнными резонансными структурами, способными накапливать энергию и переизлучать её в окружающее пространство. Таким образом, вероятно, имеются весомые основания предположить, что само наличие электромагнитного шума радиоволнового диапазона литосферного происхождения является проявлением нелинейности механоэлектромагнитных преобразований в земной коре - распределённой возбудимой среде и подчеркнуть его автоволновой характер.

В этой связи обратим также внимание на нелокальный характер обобщённого закона Ома в дифференциальной форме (22) в рассматриваемой здесь активной системе (среде). И в этом, очевидно, состоит существенное отличие рассматриваемого здесь подхода от классического, в котором нелинейности всё же отводится роль добавки или, возможно, довеска, уточняющего детали процесса.

Как известно [15], целесообразно различать три типа нелинейности: геометрическую, физическую и структурную. При этом каждая из них может быть или распределена в объёме среды, или сосредоточена в некоторой ограниченной области пространства, малой по сравнению с характеристической длиной. Сложность таких систем связана с нелинейным характером уравнений, большим количеством влияющих факторов, которые должны быть включены в уравнение, невозможностью измерения ряда параметров в натурных (полевых или лабораторных) условиях. При этом крайне сложной становиться математическая сторона проблемы. Как уже упоминалось [6-8], нахождение даже качественного решения нелинейной системы генерации электромагнитных возмущений оказывается слишком сильным требованием и приходится ограничиваться более грубым описанием. В итоге меняется сама постановка задачи, принципиальное значение приобретает ограниченная точность в описании такой системы. Нелинейную систему нельзя представить в виде суммы независимых частей, её нужно рассматривать целиком. Иначе говоря, для нелинейных систем адекватным является глобальное рассмотрение.

Чтобы подчеркнуть эту разницу, кратко напомним постановку классической задачи теории рассеяния монохроматических электромагнитных волн локальными объектами или структурными. Как известно [16], граничная задача теории рассеяния представляет собой внешнюю краевую задачу для систем уравнений в частных производных, которая может быть описана в виде

 (25)

с ограниченным условием на поверхности локального рассеивателя

(26)

и условием излучения на бесконечности.

Здесь - оператор внешней граничной задачи (система уравнений Максвелла),

- оператор граничного условия (к примеру, импеданс),

- замкнутая гладкая односвязная поверхность,

- внешнее (падающее) поле.

При рассмотрении задач такого типа предполагается, что рассеивающий объект расположен далеко как от источников поля, так и от области, в которой рассматривается поле рассеяния. Это обстоятельство позволяет использовать концепцию квазирешения, введённого А.Н. Тихоновым, и являющуюся следствием теоремы корректности внешней задачи теории рассеяния. Его суть в данном конкретном случае состоит в использовании численно-аналитической конструкции, приближённого решения задачи (25)

и условию на бесконечности.

Граничное условие на должно при этом выполняться в соответствующей функциональной норме и иметь вид

.

Фундаментальную роль здесь играет тот факт, что выполнение этого условия обеспечивает близость в равномерной метрике приближённого решения к точному всюду вне рассеивателя.

Очевидно, постановка аналогичной задачи в случае распределённых возбудимых сред претерпевает кардинальные и неформальные изменения. Во-первых, характеристики импульсов (автоволн), распространяющихся в возбудимых средах, определяются параметрами среды распространения и не зависят от начальных условий. Во-вторых, система нелинейных уравнений генерации (24) обладает в общем случае пространственно-локализированными, неподвижными и сложно движущимися решениями. Отсюда ясно, что эволюция этих систем может происходить по-разному, появляется возможность множественности путей их развития и многообразия поведения. Очевидно, что в этом случае на первый план выходит вычислительный эксперимент, когда путём варьирования параметров системы пытаются выяснить характерные черты модели и элементы её поведения.

Аномалии интенсивности радиоизлучения и структура геосреды. Как свидетельствует полевой эксперимент, спонтанное электромагнитное излучение радиоволнового диапазона, регистрируемое на дневной поверхности, характеризуется значительной пространственной неоднородностью его интенсивности (или активности, т.е. числа импульсов в единицу времени, амплитуда которых превышает некоторый заданный порог) [4]. Полевые наблюдения обычно производятся приборами с помощью трёх взаимно перпендикулярных датчиков (рамочных антенн). Установлено, что однотипным геологическим структурам, как правило, соответствуют достаточно устойчивые особенности пространственного распределения упомянутых характеристик излучения. Примечательно, что характеристики излучения от схожих геоструктур имеют близкие параметры, независимо от их расположения [4, 17]. Следовательно, пространственные размеры и особенности формы аномалий, как и их характеристики в отдельных компонентах могут служить основой для восстановления элементов геолого-геофизического разреза.

На данном этапе развития в его основу положено представление о локальной (точечной) области генерации радиоизлучения, размерами которой по сравнению с размерами исследуемых геологических объектов можно пренебречь. В итоге, реальные геологические объекты могут быть представлены совокупностью «точек излучения» (или «ярких точек») по терминологии [17], что вполне соответствует изложенным ранее теоретическим преобразованиям о механизмах генерации радиоизлучения в распределённой возбудимой геосреде - системе литосферных блоков. Эта совокупность «локальных излучателей» вместе с картами интенсивности радиоизлучения и являются первичной информацией для структурных построений [17]. При этом возможно использование как суммарного наблюдаемого сигнала вдоль профиля или на площади наблюдений, так и его спектральных составляющих или их вейвлет-преобразований.

Как известно, вейвлет-преобразования, не искажая формы анализируемого сигнала в целом, позволяет выделить границы аномальной зоны излучения и определить её пространственные размеры. В зависимости от длины профиля наблюдений это преобразование может осуществляться на нескольких уровнях. Нулевой уровень соответствует исходному сигналу на профиле, который, разумеется, наряду с информативным сигналом содержит также различные индустриальные помехи, атмосферики и т.д. Первый и второй уровни разложения позволяют в значительной степени избавиться от помех различного рода.

Напомним, что вейвлет-анализ - это детализация гармонического анализа. Анализируемые с его помощью функции представляются в виде линейных комбинаций базисных функций, в качестве которых берутся не периодические, локализованные функции - вейвлетки, имеющие вид уединённой волны.

Глубина залегания объекта генерации радиоизлучения, определяемая как по ширине аномальной области, так и по размеру её части (отдельному максимуму) устанавливается нами с помощью эмпирических коэффициентов, полученных на известных геоструктурах аналогичного типа. Примечательно, что их значения вполне согласуются и с теоретическими оценками, как это следует из рис. 1.

Пример практического использования этой методики при локализации разломной зоны на одном из профилей наблюдений на Черноморском шельфе приведён на рис. 2.

Разумеется, мы должны предположить, множество механизмов генерации излучения, действующих одновременно. Возможно, окажутся перспективными поиски механизма согласованного действия эффективных источников тока в среде (к примеру, ансамбль раскрывающихся трещин и когерентность складываемых микрополей отдельных трещин) [3]. Очевидно, в этом случае возникает эффект «когерентного» усиления суммарного излучения и, возможно, направление преимущественного распространения излучений. Но, как показывает опыт полевых исследований, пространственный масштаб аномалий интенсивности излучения рассматриваемого диапазона, в первую очередь, по всей вероятности, определяется процессами излучения в нестационарной среде (переходным рассеянием). В пользу такого заключения, очевидно, свидетельствует тот экспериментально установленный факт, что пространственные параметры аномалии интенсивности излучения на дневной поверхности и их соотношения практически не зависят от распределения электрических характеристик разреза , а определяются глубиной погружения «излучающего элемента». В то же время, амплитудные характеристики сигнала несут информацию о физических свойствах пород вдоль трассы его распространения [4, 5, 17].

Геометрический и индукционный принцип электромагнитного зондирования. Как уже упоминалось, глубина погружения «излучающего элемента» определяется размером пространственной аномалии интенсивности излучения и не зависит от геоэлектрических параметров разреза. В этом смысле рассматриваемая электромагнитная зондирующая система, основанная на измерении импульсного электромагнитного излучения литосферы радиоволнового диапазона, регистрируемого на поверхности земли, с полным основанием может быть отнесена к геометрической.

Напомним в этой связи, что целью любой зондирующей системы с естественным или контролируемым возбуждением поля является получение информации о строении слоистого полупространства. При этом в основе частотных, магнитотеллурических зондирований, зондирований по методу становления поля лежит принцип вертикального скин-эффекта, т.е. увеличение скин-глубины с уменьшением скорости изменения поля [18].

Физической основой зондирований на постоянном токе является зависимость убывания плотности тока в разрезе с глубиной от величины разноса питающих электродов. Тем не менее, несмотря на определённые различия индукционного и геометрического принципов электромагнитного зондирования, глубина исследования горизонтальных напластований определяется мощностью и удельной проводимостью слагающих разрез пластов. В то же время глубина погружения «излучающего точечного элемента» определяется исключительно размером аномальной области излучения и практически не связана с распределением электрических параметров в разрезе. В том и состоит принципиальное различие между классической зондирующей установкой на постоянном токе и зондирующей системой с использованием спонтанного электромагнитного излучения радиоволнового диапазона, генерируемого в земной коре. Однако различие состоит не только в этом. Как уже отмечалось, само наличие электромагнитного шума литосферного происхождения радиоволнового диапазона, его выход с земных недр на дневную поверхность обусловлены нелинейностью механоэлектромагнитных преобразований в системе литосферных блоков, взаимодействующих в процессе перемещений. Иначе говоря, оставаясь в рамках классической модели геосреды (пассивный континиум с такими феноменологическими параметрами, как модуль упругости, удельной проводимости, магнитной и диэлектрической проницаемости), трудно предложить необходимый источник радиоизлучения, мощность которого была столь значительна, чтобы это излучение способно было бы выйти из земных недр на поверхность из-за сильного его поглощения в проводящей среде. В приповерхностных же слоях сложно найти достаточное число мощных источников радиоэмиссии.

Весьма удивительно, что и в случае значительно более сложной модели геосреды - активной дискретной иерархически структурированной многофазной системы, и расширенных модельных представлений о механизмах механоэлектромагнитных трансформаций, возможно проявление простых геометрических соотношений между пространственными параметрами аномалий спонтанного радиоволнового шума, регистрируемого на земной поверхности или над нею и глубиной погружения «точечного излучателя». Примечательно, что эти соотношения обусловлены внутренними свойствами системы, а не действием каких-либо случайных обстоятельств. При этом ограниченная точность в описании самой этой системы имеет принципиальное значение.

Заключение. В работе, на основе известной модели распределённой возбудимой геосреды в виде системы жёстких литосферных блоков, разделённых зонами разломов и трещин, и теории «захваченных» волн (обобщённых волн Релея), распространяющихся вдоль разломов, продолжены исследования спонтанных электромагнитных возмущений радиоволнового (килогерцового) диапазона. Обращается внимание на множественность механизмов механоэлектромагнитных трансформаций в геосреде и необходимость расширения возможных типов (или класса) этих преобразований. Очевидно, к ним может быть отнесено переходное излучение (рассеяние) в нестационарной геосреде, генерируемое полем зарядов в волне комплексной диэлектрической проницаемости, которая формируется в окрестности фронта распространяющейся вдоль разлома и канализируемой им «захваченной» волны. Как известно, «захваченные» волны способны принимать энергию сейсмических объёмных волн и энергию основного состояния скольжения, что означает их рост по амплитуде и тем самым неустойчивость взаимного скольжения блоков. В итоге оказывается возможным вынос электромагнитного шума радиоволнового диапазона к дневной поверхности со значительных глубин в рамках модели возбудимой распределённой геосреды, состоящей из связанных друг с другом активных элементов.

Существенно, что переходное рассеяние возможно не только на отдельных зарядах, но и на электрических и магнитных диполях, сгустках зарядов, токах и других рассеивателях, образующихся в геосреде в процессе ее деформирования. И в этом, вообще говоря, состоит отличие рассматриваемого в статье подхода к возбуждения в земной коре радиоволнового шума и его доставки к земной поверхности от классического, основанного на модели энергетически пассивной среды с такими феноменологическими параметрами, как модули упругости, диэлектрическая и магнитная проницаемости и удельная проводимость.

Установлено наличие «пространственного конуса», в котором возможно распространение переходного рассеяния и сопоставляются его параметры с данными экспериментальных наблюдений.

Обсуждаются вопросы корреляции формы аномалий интенсивности спонтанных электромагнитных сигналов рассматриваемого частотного диапазона, экспериментально регистрируемых вдоль профилей наблюдений на границе раздела «земля-воздух», с геометрическими особенностями простейших геоструктур (в частности, разломов). Приводятся практические примеры использования предлагаемой методики.

Список литературы

литосферный радиоизлучение геосреда электромагнитный

1. Левшенко В.Т. Сверхнизкочастотные электромагнитные сигналы литосферного происхождения: Автореф. дис. д-ра физ.-мат наук. Москва: ОНФЗ РАН, 1995 - 36 с.

2. Светов Б.С. К теоретическому обоснованию сейсмоэлектрического метода геофизической разведки // Геофизика. - 2000, №1. - С. 28 - 39.

3. Сурков В.В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах. - Москва: Изд. Моск. гос. инж.-физ. ин-та. - 2000 - 235 с.

4. Богданов Ю.А., Воронин В.И., Уваров В.Н., Черняков А.М. Электромагнитное проявление структуры недр // Геофиз.журн. - 2003. - 25, №4. - С. 117 - 124.

5. Богданов Ю.А. К проблематике распространения возмущений в геологических средах: краткий обзор актуальных источников и конструктивные соображения // Геофиз.журн. - 2008. - 30, №1. - С. 96 - 110.

6. Шуман В.Н. электромагнитные сигналы литосферного происхождения в современных наземных и дистанционных зондирующих системах // Геофиз.журн. - 2007. - 29, №2. - С. 3 - 16.

7. Шуман В.Н. Уравнение генерации спонтанных электромагнитных сигналов в системе литосферных блоков // Геофиз.журн. - 2008. - 30, №1. - С. 42 - 48.

8. Шуман В.Н., Богданов Ю.А. Импульсное электромагнитное излучение литосферы: спорные вопросы теории и полевой эксперимент // Геофиз.журн. - 2008. - 30, №2. - С. 32 - 41.

9. Гульельми А.В., Левшенко В.Т. Электромагнитные сигналы от землетрясений // Физика Земли. - 1994. - №5. - С. 65 - 70.

10. Гульельми А.В. Уравнение генерации сейсмомагнитных сигналов // Докл. АН РАН. - т. 342, №3. - С. 390 - 392.

11. Гульельми А.В. Инерционные эффекты в коре и магнитосфере Земли // Физика Земли. - 2008. - №1. - С. 50 - 56.

12. Новожилов Ю.В., Яппа Ю.А. Электродинамика. - Москва: Наука, 1978. - 352 с.

13. Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. - Москва: Наука, 1985. - 399 с.

14. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние - Москва: Наука, 1984. - 360 с.

15. Руденко О.В. Гигантские нелинейности структурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики // Успехи физич. наук. - 2006. - т. 176, №1. С. 77 - 95.

16. Ерёмин Ю.А., Свешников А.Г. Математические модели задач нанооптики и биофотоники на основе метода дискретных источников // Журн. вычислит. математики и математич. физики. - 2007. - т. 47, №2. С. 269 - 287.

17. Богданов Ю.А., Коболев В.П., Русаков О.М., Захаров И.Г. Геополяритонное зондирование газоносных структур северо-западного шельфа Чёрного моря // Геология и полезные ископаемые мирового океана. - 2007. - т. 22, №4. С. 37 - 61.

18. Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. - Москва: Научный мир, 1997. - 219 с.

Размещено на Allbest.ru