Моделирование электромагнитных явлений и программное обеспечение при геодинамических исследованиях

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту академику НАН КР, заслуженному деятелю науки и техники КР Шаршеналиеву Ж.Ш. за оказанную помощь при выполнении работы, за конструктивные замечания, рекомендации и предложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цели и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и личный вклад автора.

В первой главе содержится анализ состояния вопроса и обоснование задач геомагнитных и электромагнитных исследований, обзор современного состояния вопроса по исследованию и разработке геомагнитных, электромагнитных методов, аномальных изменений геофизических полей, связанных с геодинамическими процессами в странах СНГ, Кыргызстана и в мире, проведен анализ состояния этой проблемы в настоящие время.

Анализ геолого-геофизических материалов показывает, что в настоящее время из-за непрерывного продвижения Индостанский плиты к Евразийской, Тянь-Шань (Макаров,1977; Чедия,1983,1986) в целом испытывает напряжение сжатия, что сопровождается общей деформацией земной коры и интенсивным ростом сейсмической активности. На фоне регионального сжатия Северного Тянь-Шаня, происходят квазипериодические геофизические процессы, к отдельным циклам которых приурочены проявления сильных землетрясений. Высокосейсмичными являются краевые разломы, которые характеризуются сильными дифференциальными движениями. Наиболее характерной особенностью тектонического строения исследуемой территории является блоковой характер основных, структурных элементов.

Ранее проведенные геолого-геофизические съемки сопровождались аэромагнитной и аэрогаммаспектрометрическими съемками, по данным которых удалось выделить крупные участки контактово-метасоматического характера магнитных аномалий. Моделирование, обобщение и анализ всех геофизических данных за период исследования по территории Кыргызского Тянь-Шаня нашло свое отражение в работах Ф.Н.Юдахина (1983),Э.Ш.Шакирова (1985),Ю.Г.Шварцмана, К.Б.Бакирова (2005). С 1975 года по настоящее время с участием автора на территории Кыргызстана проводятся целенаправленные геомагнитные и электромагнитные исследования в пределах сейсмоактивных районов, для оценки степени сейсмической опасности и прогнозных целей, исследованы геомагнитные и электромагнитные аномалии сопутствующие землетрясениям различной энергии, которые отражены в публикациях.

С 1980 по 2011 годы появились многочисленные работы по исследованию аномальных изменений полного вектора напряженности геомагнитного поля (поля-Т) зарегистрированные перед землетрясениями различной энергии. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных работах (Муминов и др. 1986; Шакиров и др. 1984,1986.1988,1989; Абдуллабеков,1989;Курскеев,1999, Ким1989.1993; К.Б.Бакиров, 1989,2000,2003,2005,2008,2010,2012,2013 и др.). Зафиксированные амплитуды Т - предвестника перед сильными землетрясениями М составляли единицы, реже 20 нТл (Алайское - М=6.8 1978, Джиргатальское - М=5.9,1984, Суусамырское - М=7.3,1992).

Результаты многолетних исследований геомагнитных явлений на прогностических полигонах СНГ, Кыргызстана и в мире показали, что имеется связь между вариациями геомагнитного и электромагнитного полей и землетрясениями. Многолетние исследования показали, что возрастающие напряжения порождают предвестники геомагнитного поля, а дилатантно-диффузивные процессы порождают предвестники по земным токам и электросопротивлению. Характерные времена и интенсивность обнаруженных аномальных геомагнитных эффектов лежат в широких пределах. Результаты многих исследований показали, что интенсивность геомагнитного поля колеблется от долей до 40 нТл, длительность - от минуты до первых единиц лет. Анализ экспериментальных исследований позволяет сделать вывод, что отмеченные региональные области вариаций магнитного поля интенсивностью от 1.0 до 10нТл, имеющие значительные размеры (первые сотни километров), видимо, обусловлены региональными процессами, протекающими под земной корой или связаны с вязким течением подкорового вещества. Локальные изменения магнитного поля (первые десятки километров) интенсивностью от 3 до 17нТл, возможно обусловлены деформационными процессами в земной коре, сопровождающими подготовку и проявление сейсмических событий.

При исследовании напряженно-деформированного состояния геологической среды и прогнозировании землетрясений широко в комплексе с другими методами используются измерения удельного электрического сопротивления горных пород и регистрация аномалий электромагнитного излучения (ЭМИ), информативность этих предвестников практически подтверждена в различных сейсмоопасных регионах мира. Опыт применения различных методов прогнозирования говорит о том, что электромагнитные предвестники землетрясений являются наиболее чувствительными индикаторами напряженно-деформированного состояния геологической среды.

Мониторинг изменений удельного сопротивления пород проводится для прогнозирования землетрясений в различных странах (Китай, Япония, Россия и др.). В процессе подготовки землетрясения горные породы деформируются под воздействием внешнего давления, при этом меняются размеры пор и трещиноватости, происходит движение флюидов и как следствие меняется удельное сопротивление пород (Rikitake, 1976).

Установлено, что аномальное поведение удельного электрического сопротивления обычно наблюдается в периоды времени от нескольких месяцев до нескольких дней до землетрясения. Величины аномалий измеряемого параметра - кажущегося сопротивления могут достигать 10-20 % (Барсуков, Сорокин, 1973; Моги, 1988; Проявление геодинамических процессов, 1993, Соболев, Пономарев, 2003; Barsukov, 1972; Lu, Qian and Zhao, 1999; Rikitake, 1976). Имеются примеры успешного предсказания землетрясений с использованием данных о вариациях удельного электрического сопротивления, например для Хайченского землетрясения 1975 г. в Китае (Gere and Shah, 1984).Исследованиями ЭМИ перед землетрясениями занимаются в различных странах мира (Россия, Япония, Китай, Греция, Италия, США и др.). Накопленный опыт показывает, что аномалии-предвестники ЭМИ обычно наблюдаются за несколько суток перед землетрясениями. (Гохберг, Моргунов, Похотелов, 1988; Поиск электромагнитных предвестников, 1988; Eftaxias et al., 2001; Gershenzon and Bambakidis, 2001; Hadjicontis and Mavromatou, 1994; Nagao et. al. 2002, Saraev, 2004, 2005, 2006.).

Результаты исследования в Кыргызстане позволяют сказать, что в фундаменте Тянь-Шаня имеются горные породы с высокой магнитной восприимчивостью, а также сейсмически активные отрезки разломов, которые являются благоприятными объектами для постановки работ с целью моделирования и наблюдения за изменением магнитных и электромагнитных полей.

Вторая глава посвящена методам исследования, математическому моделированию; программному обеспечению; сети электромагнитных наблюдений; дана характеристика современного комплекса примененной геофизической аппаратуры, методам исследований; рассмотрены характеристики аппаратурного комплекса, обработка данных, структура геомагнитного поля и результаты исследований особенностей векового хода на исследуемой территории.

В разные годы автором работы были проведены многолетние экспериментальные наблюдения по разработанной методике повторных съемок геомагнитного поля в 22 пунктах на исследуемой территории (рис.1).

Рис.1. Схема расположения полевых магнитометрических пунктов на территории КР

Полевые экспериментальные электромагнитные измерения были проведены с участием автора работы с 2003- 2013 гг. на территории Бишкекского и Иссык-Кульского полигонов на участках: Кызыл- Туу, Орок, Кызыл- Бирдик, Уч- Эмчек, Тогуз- Булак ,Жыламыш, Таш-Башат, Чон-Курчак, Ала-Арча, Сосновка, Джарды-Суу, Белогорка, Орнек, Оттук, Семеновка, Григорьевка и др. Исследования проводились с помощью современных протонных магнитометров (рис.2), методами синхронных стационарных, повторных и профильных наблюдений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Структурная схема протонного магнитометра.

МИП - магнитоизмерительный преобразователь, УП - усилитель процессии, УЧП - умножитель частоты процессии, СЭ - электронно-счетный частотомер, ЦИ - цифровой индикатор, ГК - генератор кварцевый, ФКИ - формирователь командных импульсов.

При проведении дискретных и непрерывных измерений компонент геомагнитного поля, применялась полевая магнитовариационная станция МВ-01 созданная на основе ядерно-прецессионных преобразователей. Астатическим высокоточным магнитометром МА-21 в различные годы автором определялись магнитные параметры ориентированных образцов горных пород отобранных из различных участков территории Северного Тянь-Шаня (рис.3).

Рис.3. Схема расположения образцов:

а - образец на уровне нижнего магнита, б - образец в равноудаленном положении.

Прочностные характеристики горных пород определялись методом одноосного сжатия (рис.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Схема испытательной установки для случая нагружения стальными плитами(«сухое трение»): 1 - образец; 2 - тензодатчик; 3 - датчик абсолютной продольной деформации; 4 - нагружающие плиты.

Акустические параметры были измерены просвечиванием с помощью установки УКБ-1. Для исследования структур геомагнитного поля использовались данные Т - поля, снятые спутником Земли “ МАГСАТ” (США), выполненные в разные годы.

В пределах Бишкекского и Иссык-Кульского геодинамических полигонов, для измерений электромагнитных параметров использовалась аппаратура АКФ-4М (рис.5), разработанная в лаборатории электромагнитных методов НИИЗК СПбГУ в диапазоне сверхнизких частот от 1 до 800 Гц. A.K. Saraev, M.I. Pertel, K.A. Larionov аnd K.B. Bakirov-2003,2004,2005,2006,2012,2013; Бакиров К.Б., 2005, 2006, 2012, 2013.

Рис.5. Блок-схема регистратора АКФ-4М.

электромагнитный геодинамический мониторинг

Отбор ориентированных и специальных образцов проводился автором в различные годы по 8-ми крупным разрезам. Пункты повторных наблюдений были выбраны на основании геолого-тектонических и площадных магнитометрических сьемок.

Величина среднеквадратической погрешности определения разностных значений составляет от 0,2 до 0,15 нТл, для магнитометров ММП - 203 составляет от 1,0 до 1,5 нТл. Полученные данные компонент магнитного поля проходили первичную компьютерную обработку с применением ряда программ, в целях определения - среднегодовых, среднечасовых, среднесуточных, среднемесячных значений, среднеквадратичного отклонения и разностного поля.

Аппаратурно-программный комплекс АКФ-4М, предназначен для работы методами АМТЗ и СНЧЗ, а также для мониторинга сейсмической активности. Программное управление аппаратурой осуществлялась при помощи компьютера Notebook. Встроенный GPS-приемник был предназначен для определения координат и точного времени измерения. Аппаратура позволяла производить четырехкомпонентные (тензорные) и двухкомпонентные (скалярные) измерения в рабочем диапазоне частот. Программное обеспечение (SM-27, SM+) аппаратуры состояла из трех частей.

Первая часть была предназначена для управления процессом измерений и обеспечивает установку измерительных параметров, сохранение получаемых данных и их экспорт на внешний компьютер. Вторая часть производила обработку данных (спектральный анализ данных, учет амплитудных и фазово-частотных характеристик каналов и магнитных датчиков, расчет частотных зависимостей кажущихся сопротивлений и фаз импендансов). Третья часть была предназначена для интерпретации и визуализации результатов измерений.

Программа SM-27 была предназначена для управления процессом измерений и обработки получаемых данных с получением кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса.

Программа SM-27 также осуществляла начальную проверку и контроль аппаратуры, установку. Программа SM+ была предназначена для обработки данных АМТЗ с использованием робастных процедур, получения сглаженных кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса.

, ,

При проведении АМТЗ производилась регистрация сигналов горизонтальных и взаимно ортогональных электрической и магнитной антенн, которые используются для определения амплитуды поверхностного импеданса Z как модуля отношения величин ортогональных составляющих электрического Ex и магнитного Hy полей, и фазы импеданса. Значения амплитуды импеданса | Z | чаще всего пересчитывались в значения кажущегося сопротивления с_к: где щ = 2рf - круговая частота, м₀ = 4р 10-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума.

Программы (SM-27, SM+,) позволили проводить следующие операции: просмотр измеренных временных рядов; подстановка временных рядов по выбранным каналам из других файлов измерения с аппаратурной АКФ-4М; инверсия временного ряда по выбранному каналу; режекторная фильтрация промышленной частоты временного ряда; ручное выделение участков ряда для их отбраковки; расчет и просмотр спектров по временным рядам в физических величинах, по выбранным параметрам; просмотр и отбраковка мгновенных спектров; получение коэффициентов передачи каналов прибора, предусилителя, магнитных антенн (калибровка); получение кривых кажущихся сопротивлений и фаз выбранным параметрам; пакетная обработка данных по ряду точек; экспорт любых результатов расчета в текстовый файл. Программа имеет одно главное окно, в котором в зависимости от этапа расчета, могут быть доступны страницы: «Ряд», «Спектры», «Сегмент», «Ro», «Калибровка», «Инфо».

Кроме этого, в главном окне программы есть главное меню, через которое доступны все действия: панель инструментов, через которую доступны наиболее распространенные действия в программе и строка состояния, в панелях которой выводится краткая информация по работе с программой.

Вкладка «расписание» выводит в рабочее окно модуль создания расписания сбора данных, вкладка «файл» выводит в графическом виде временной ряд в полном объеме, вкладка «импеданс» выводит рассчитанные модуль и фазу кажущегося сопротивления и вкладка «спектр» выводит выборочные мгновенные автоспектры (рис. 6, 7, 8, 9).

Рис.6. Вкладка «Расписание».

Рис.7. Вкладка «Файл».

Рис. 8. Вкладки «Импеданс».

Рис.9. Вкладка «Спектр».

Программами (SM-27, SM+,) произведены обработки измерений ЭМИ, выполнен спектральный анализ данных и вычислены наиболее информативные параметры для контроля напряженного состояния горных пород на основе статистических характеристик временных рядов. Разработка методик изучения вариаций кажущегося сопротивления и аномалий ЭМИ выполнены с использованием наблюдений приливных вариаций исследуемых параметров. При обработке данных мониторинга в пределах Бишкекского полигона при измерении кажущегося сопротивления в тензочувствительных зонах проводился выбор оптимальных частот, на которых наиболее контрастно проявлялись приливные эффекты. При этом проводилась опробование и проверка приемной аппаратуры, а также тестирование и калибровка магнитных антенн.

Первым этапом работы при экспериментальном выявлении тензочувствительных зон являлось выполнение АМТ-зондирований. Высокое удельное сопротивление горных пород разреза (более 100 Омм) и присутствие вертикальных электрических неоднородностей являлись признаками точки, с высокой тензочувствительностью. С аппаратурой АКФ-4М были отработаны методические приёмы проведения полевых наблюдений. Наиболее информативным является частотный диапазон 1-400 Гц (диапазон D2 аппаратуры АКФ-4М). В части данного диапазона от 7 до 200 Гц погрешность измерений не превышает 1% по кажущемуся сопротивлению и 0,5є по фазе импеданса. В районах, где коренные породы высокого удельного сопротивления перекрыты мощными рыхлыми породами более низкого удельного сопротивления, целесообразно проводить измерения в диапазоне частот 0,1-40 Гц (диапазон D1 аппаратуры АКФ-4М). В этом диапазоне частот пригодными для мониторинга являются поддиапазоны частот 0,3-3 Гц и 6-40 Гц. Указанные выше погрешности измерений были обеспечены при выполнении следующих технических приемов: использованием неполяризующихся электродов для заземления приемных электрических линий; применение приемных электрических линий длиной 100; установка заземляющих электродов в ямы на глубину около 1 м для уменьшения влияния на результаты измерений суточных колебаний температуры и влажности грунта; установка магнитных антенн в траншеи на глубину 0,5 м. Проведение мониторинга на пунктах Бишкекского и Иссык-Кульского полигонов показало, что наиболее стабильные результаты при исследовании вариаций кажущегося сопротивления могут быть получены в частотном диапазоне 7-200 Гц. Методы выбора тензочувствительных зон включала проведение АМТ зондирований для изучения геоэлектрического разреза и выявление неоднородных участков, и выполнение мониторинга в течение нескольких дней в предварительно выбранных точках. При мониторинге исследовались приливные вариации кажущегося сопротивления. Были использованы программные модули, позволяющие выполнить экспресс обработку, с целью получения зависимостей от времени ряда параметров, таких как: амплитуды магнитных и электрических составляющих естественного электромагнитного поля; кажущиеся сопротивления и фазы импеданса по главным направлениям тензора импеданса; кажущиеся сопротивления и фазы импеданса по азимутам раскладки приемных антенн; азимуты главных направлений тензора импеданса. Для мониторинга ЭМИ были использованы программные модули: амплитуд магнитных и электрических составляющих естественного электромагнитного поля; динамических спектров. При помощи программного модуля определялись ряд параметров, характеризующих спектральный состав и изменения регистрируемого электромагнитного поля.

Анализ происхождения магнитного поля Земли показал, что своими гипотезами почти все исследователи стремились, в первую очередь, объяснить однородную намагниченность земли и близкое совпадение магнитной оси земного шара с его осью вращения. Одни гипотезы опирались на законы физики, установленные на основе экспериментальных наблюдений на земной поверхности (гипотезы: вращающихся зарядов, дрейфующих токов), другие - основанные на отказе от этих законов и предположения о существовании для земного шара как космического тела особых законов (Яновский,1978). К таким работам относятся гипотеза Симонова, теория Гаусса, гипотеза вращающихся зарядов, основанная на гироскопическом эффекте Эйнштейна - Барнетта, гипотеза дрейфующих токов (Barnet,1915), гипотеза вращающихся зарядов Т. Шломка и В.Сванна (Schlomka, 1933; Swan, 1992), гипотезы П.Блекетта (1952), П. Лебедева (1991) и др. Модель Э. Булларда основана на строении ядра, состоящего из внутренней твердой и внешней жидкой фаз. Согласно этой модели, ядро вращается с меньшей скоростью, чем оболочка. Она дает объяснение образования дипольной части земного магнитного поля связанное с явлением векового хода.

Все гипотезы и модели, построенные на основе математического анализа, не утеряли своей значимости, являются фундаментом для дальнейшего развития новых теорий, моделирования электромагнитных явлений и проведения экспериментальных работ для задач геодинамики и построения описательной модели (рис.10).

Рис.10. Схема последовательности построения описательной модели.

Ретроспективный анализ геомагнитных исследований, существующих теорий, моделей и многочисленных гипотез показывает, что аномальные проявления в магнитном поле может быть тектономагнитной, пьезомагнитной природы (образование дополнительной намагниченности под действием механического напряжения) и токовой (Stacey, 1964; Mizutani, 1976).Согласно этим гипотезам, перед землетрясением под влиянием тектонических напряжений изменяется намагниченность горной породы (тектономагнитный эффект), что должно привести к локальному изменению напряженности геомагнитного поля. Движение раствора в системе капилляров сопровождается изменением электрического тока (электрокинетический эффект) и, следовательно, магнитного поля. Пьезомагнитные аномалии могут быть частично объяснены моделью ЛНТ, а аномалии электрокинетической природы ДД-моделью.

Модель лавинно-неустойчивого трещино-образования (ЛНТ) была разработана В. И. Мячкиным, Б.В. Костровым, Г.А. Соболевым, О.Г. Маминой в 70 -- 80-х годах прошлого века [1975, 1978], она базируется на кинетической концепции прочности и сейсмологических данных. Модель предусматривает три стадии подготовки землетрясения: 1 -- квазиоднородное растрескивание; 2 -- лавинное взаимодействие; 3 -- локализация деформаций в узкую зону и формирование будущего магистрального разрыва. Взаимодействие и вспарывание перемычек между крупными трещинами приводят к возникновению очага землетрясения.

Модель дилатантно-диффузионная (ДД - модель) была разработана С.Н. Scholz, L.R. Sykes, Y.Р. Aggarwal [1973]. Ведущая роль в подготовке и реализации землетрясения принадлежит трещинообразованию. рассматривается трехстадийный процесс: 1 -- рост напряжений до некоторой критической величины; 2 -- превышение пороговых значений пределов прочности пород, образование трещин отрыва и относительное увеличение объема трещиноватой среды (дилатансия); 3 -- проникновение воды в "открытые" трещины отрыва, в дилатантную область.

Удовлетворительно оба механизма согласуются с консолидационной моделью И.П. Добровольского [1993], полученной для блоковой среды (геофизической среды) Землетрясение здесь представляет собой результат последовательного трехфазного изменения состояния вещества: 1 -- фаза регулярного состояния, 2 -- фаза консолидации, 3-- фаза разрушения.

Анализ показывает, что модель ДД применима в исследованиях для землетрясений, происходящих при тектонических подвижках по живущему разлому, модель ЛНТ лучше отражает процессы подготовки землетрясений в первоначально ненарушенном массиве горных пород. Значительные по величине и короткие по времени (месяцы) аномалии геомагнитного поля, возможны при дилатансии горных пород в зоне очага землетрясения. Быстрые изменения поля могут проявиться за несколько часов или суток перед землетрясением и скорее всего, могут быть объяснены совокупностью механоэлектрических процессов в очаге. Медленные изменения Т-поля могут начинаться за несколько месяцев или за несколько лет до землетрясения и могут иметь преимущественно пьезомагнитную природу. F.D. Stacey на основании анализа литературных данных по исследованию пьезомагнитного эффекта горных пород выполнил расчеты изменений магнитного поля, вызванных упругими напряжениями при сейсмических и вулканических процессах [Stacey, 1964, 1964а; 1965] Наиболее полно исследованы классы двумерных моделей типа «горст», «грабен», «уступ».

Для исследования слоисто-блоковой среды исследуемого региона, была рассмотрена интенсивность сейсмической волны после прохождения через трещину которая описывается уравнением движения упругой среды, упругими константами Ламэ, плотностью, скоростью распространения продольной волны, при этом интенсивность сейсмической волны после прохождения через трещину может возрасти вследствие ударного взаимодействия блоков - глыб твердых пород, разделенных трещинами.Была предложена математическая модель, где дано пояснение указанного предположения в случае взаимодействия двух блоков, разделенных плоско - параллельной узкой простирающейся до бесконечности трещиной (Иманалиев М.И.,Шамгунов Ш.Д..1983). При этом считается, что блоки состоят из однородного упругого изотропного материала. Предполагая, что по одному из блоков распространяется плоская одномерная волна, фронт которой параллелен срединной плоскости трещины, считается, что указанная волна, фронт которой представлен прямой АВ, вызывается постоянным давлением р, мгновенно приложенным в начальный момент времени t=0 вдоль граничной плоскости блока CD причем предполагается, что указанная граничная плоскость параллельна срединной плоскости трещины (рис.11).

Рис.11. Схема распространения упругой волны.

Ось ОХ направляется перпендикулярно к граничной плоскости левого блока, а начало координат О помещается на этой плоскости.

Предполагается, что блоки состоят из разных материалов.

Анализ материалов в рамках принятой модели механического процесса показывает, что интенсивность сейсмической волны после прохождения через трещину может, как возрастать, так и убывать, а также оставаться неизменной. Выяснены условия, при которых имеет место каждый из указанных случаев.

Обозначая через соответственно упругие константы Ламэ, плотность, скорость распространения продольной волны для материала левого блока. Для правого блока эти показатели, соответственно, обозначая через . Уравнение движения упругой среды слева от трещины имеет вид:

, (1)

Справа:

(2)

Связь между и согласно закону Гука, представляется в виде:

(3)

Смещения на фронте отраженной волны выражается формулой:

В случае прохождения продольной волны, учитывая, что

,

приводим выражение для «с» к виду:

. (4)

(5)

Выводы для продольной волны. Из (5) следует, что интенсивность упругой волны при переходе через трещину возрастает, если: , откуда , .

Интенсивность при этом переходе уменьшается, если , отсюда: .

Наконец, при интенсивность не изменяется.

Ввиду (4) реальная возможность всех трех случаев не вызывает сомнения. В частности, последний случай имеет место, если оба блока состоят из одного материала.

В экспериментальных данных имеются значения плотностей и скоростей распространения продольной волны. Выражения для двух блоков можем вычислить по формулам:

.

На основании (4) величина примет вид:

.

Интенсивность упругой продольной волны при переходе от блока 1 к блоку 2 через трещину (или без трещины) возрастает, если ; убывает, если ; не изменяется, если (в частности, если оба блока состоят из одного материала).

Рассмотрим экспериментальные данные для одного блока.

(); ().

Получаем:

.

Здесь , следовательно, для этих пород интенсивность (5) продольной волны увеличивается. Было , стало , где .

Аналогичные факты имеют место также для случая распространения поперечной волны при условии, что края трещины сомкнуты, а сила трения между границами блоков достаточна для того, чтобы не допускать скольжения. Возможность отсутствия скольжения следует из того факта, что трещины обычно неровные. На ее границах бывают впадины и выступы, которые препятствуют скольжению, если зазор между глыбами мал. Если к границе CD левого блока мгновенно приложить сдвигающую нагрузку, характеризуемую касательным напряжением (причем ось OУ направлена перпендикулярно к оси OХ), то по первому блоку начнет распространяться поперечная волна. Смещение в направлении оси OУ удовлетворяет волновому уравнению:

,

где - скорость распространения поперечных волн.

Дальнейшие рассуждения вполне аналогичны приведенным выше для продольной волны. При этом следует соответственно заменить на . В выражениях (4), (5) соответственно заменяются на , а «с» - на

Выводы для поперечной волны. При интенсивность поперечной волны при переходе через трещину возрастает, при уменьшается, а при не изменяется.

В экспериментальных данных проведенных автором имеются значения плотностей и скоростей распространения поперечной волны. Так как , то . Отсюда

.

Интенсивность упругой поперечной волны при переходе от блока 1 к блоку 2 через трещину (или без трещины) возрастает, если ; убывает, если ; не изменяется, если d= 1.

В основу моделирования электромагнитных и тепловых проявлений шире закладываются уравнения электромагнитоупругости [Партон и др., 1988; Можен, 1991 и др.]. Уравнения для расчета электромагнитного поля (Кудрявцев Ю.И. 1988, Путиков О.Ф.. 2009, Путиков О.Ф., Горбунова В.А. 2010, Кауфман А.А. др., 1997, Кауфман А.А. 2000, Жданов М.С. 2007, В.К. Хмелевской1997, 1999) при распространении электромагнитного поля во времени и пространстве математической основой являются уравнения:

,

.

Известно, что, , а также что в области, где нет свободных зарядов, ротор системы уравнений:

,

,

Получение решения этих уравнений в общем виде невозможно. Поэтому решают некоторые частные случаи.

В случае проводящей среды (е=0):

.

Это уравнения теплопроводности.

В случае диэлектрика (г=0) получаем:

.

В качестве модели первичного поля в методе АМТЗ используют плоскую вертикально падающую волну (Сараев А.К., Косткин П.М.-1998, Бакиров К.Б.-2013). Характерными особенностями этой модели является отсутствие вертикальных оставляющих и ортогональность горизонтальных составляющих электрического и магнитного полей.

Одной из главных особенностей данной модели является то, что при измерениях составляющих электрического и магнитного полей на поверхности земли их отношение -поверхностный импеданс зависит только от строения и свойств нижележащего полупространства. При проведении АМТЗ производится регистрация сигналов горизонтальных и взаимноортогональных электрической и магнитной антенн, которые используются для определения амплитуды поверхностного импеданса как модуля отношения величин ортогональных составляющих электрического и магнитного полей и фазы импеданса.

В результате интерпретации кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса можно получить значения глубин залегания пластов, их мощностей и удельных сопротивлений. При распространении поля вглубь земли наблюдается явление скин-эффекта. Согласно этому явлению для высокой частоты вихревые электрические токи, возникающие в земле под действием проникающего в землю по вертикальному направлению переменного магнитного поля, концентрируются вблизи поверхности земли. Эти вихревые токи препятствуют распространению поля вглубь земли. По мере уменьшения частоты вихревые токи образуются в более глубоких горизонтах. Изменяя частоту поля от высоких до низких значений, можно выполнить зондирование земли до определенной глубины, связанной с нижним пределом частотного диапазона. Модель поля - плоская вертикально падающая волна, применима для горизонтально-слоистого строения земной коры..

Как известно, электромагнитное поле от источника в точку наблюдения передается двумя путями по земле и по воздуху. Из-за более высокой электропроводности земли волна, распространяющаяся по земле, быстро затухает. Воздушная волна распространяется на большое расстояние от источника. Воздушная волна на пути ее распространения также проникает в землю, при этом происходит преломление волны на границе раздела земля-воздух. Из-за большой разницы в значениях удельного сопротивления воздуха) и земли после преломления волна распространяется вниз практически вертикально. Поэтому, при проведении измерений в методе АМТЗ, используют модель плоской вертикально падающей волны (рис.12).

Электромагнитные методы, основанные на использовании плоской вертикально падающей волны в качестве модели первичного поля, являются математической моделью, с помощью которого можно получить надежную интерпретацию получаемых экспериментальных данных.

Рис.12. Схема модели, использованная при расчетах электромагнитного поля СНЧ-установки

Выражения составляющих электромагнитного поля горизонтального электрического диполя для среды (воздух) в цилиндрической системе координат, составляющие поля над полупространством (нормального поля) записывается формулами:

,

,

здесь - момент диполя, I - сила тока, dL - длина диполя; волновое число k_j в средах j = 0;1 определяется выражением , где - круговая частота,- удельная электропроводность, Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума, Гн/м - магнитная проницаемость вакуума, J_v - функция Бесселя первого порядка v.

Источники динамических магнитных аномалий могут находиться как на разной глубине, не всегда связанной с конкретным очагом, так и на различном расстоянии от места регистрации, вследствие анизотропных свойств окружающей среды. Согласно современным представлениям тектонические силы являются причиной широкого диапазона движений в Земле. Изменение электропроводных и теплопроводных свойств вещества вследствие воздействия тектонических сил возможно, согласно опубликованным данным, как в магнитоактивной оболочке Земли, так и в астеносферном слое верхней мантии.

При исследовании физических свойств горных пород (Юдахин Ф.Н.1983) и их интерпретации, была предложена модель строения земной коры Кыргызского Тянь-Шаня, которая состоит из осадочного, гранитного, базальтового слоев и верхней мантии имеющие различия по физическим свойствам.

Модель (Курскеев А.К.1999) напряженного состояния земной коры Тянь-Шаньского сейсмогена, представлена в виде эллипсиода напряжений, где одна из главных осей, по которой действует растягивающая сила, направлена вверх, другая - по простиранию, третья ось, ориентированная вкрест простирания, совпадает с направлением максимального сжатия. Современный лик Земли и активность тектонических движений земной коры, определяются степенью взаимодействия этих эндогенных сил. Внутриземные силы вызывают перемещение блоков по глубинным зонам разломов, которые проникают до низов земной коры и там соединяются с волноводами. Модель дислокационного процесса (Курскеев А.К.1999) в земной коре, может быть представлена в виде блоково-слоистой среды. Современные колебания блоков в ней задаются внешними силами. Вид деформации (сжатие, растяжение) определяется видом и механизмом возбуждающей земной корой энергии. В наибольшей степени растягиваются или сжимаются структурные комплексы, заключенные между волноводами. Оживление разломов объясняется также сжатием и расширением. Вследствие того, что среда является упруговязкой, после снятия внешней нагрузки блоки не «возвращаются» в исходное состояние, появляются остаточные деформации. Со временем они накапливаются, обеспечивая тем самым увеличение мощности волноводов и зон разрывных нарушений. В модели современных движений структурных элементов земной коры основную роль играют разрывные нарушения и зоны прочностных, вязкостных свойств горных пород. При воздействии напряжения на слоисто-блоковую среду происходит деформация и, в конечном счете, сейсмодислокационный процесс.