Дослідження механізмів та інтерпретація аномальних часових змін геомагнітного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І.СУББОТІНА

ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМІВ ТА ІНТЕРПРЕТАЦІЯ АНОМАЛЬНИХ ЧАСОВИХ ЗМІН ГЕОМАГНІТНОГО ПОЛЯ

04.00.22 - ГЕОФІЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ГОРОДИСЬКИЙ ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ

КИЇВ - 1998

АНОТАЦІЯ

Городиський Ю.М. Дослідження механізмів та інтерпретація аномальних часових змін геомагнітного поля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. C.І. Субботіна НАН України, Київ, 1998.

Дисертація присвячена дослідженню фізичних механізмів, спричинюючих аномальні часові зміни геомагнітного поля, та інтерпретації цих змін. Запропоновано механізм формування аномального магнітного ефекту електрокінетичної природи для моделі квазіоднорідного середовища і проведено його статистичні дослідження. Обгрунтовано алгоритм кількісної інтерпретації часових змін геомагнітного поля та проведено інтерпретацію результатів геомагнітних зйомок на Пн. Кавказі, в ДДЗ, Закарпатті та Львівському палеозойському прогині. Розглянуто механізм часових змін векторів Візе, отримуваних з результатів спостережень бухтоподібних варіацій геомагнітного поля, та знайдено основні математичні вирази для нього. Дано інтерпретацію часових змін векторів Візе на РГС «Нижнє Селище». Виявлено зону динамічної лінеаризації на південний схід від РГС, наявність двох типів аномальних часових змін векторів Візе на Закарпатському геодинамічному полігоні та проаналізовано їх зв'язок з сейсмічною активністю в околі Карпатської аномалії електропровідності.

Ключові слова: геомагнітне поле, аномальні часові зміни, механізм, інтерпретація, вектор Візе.

АННОТАЦИЯ

Городыский Ю.М. Исследование механизмов и интерпретация аномальных временных изменений геомагнитного поля.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика.- Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена исследованию физических механизмов генерации аномальных временных изменений геомагнитного поля и интерпретации этих изменений. Предложен механизм формирования аномального магнитного эффекта электрокинетической природы для модели квазиоднородной среды и проведены его статистические исследования. Обосновано алгоритм количественной интерпретации временных изменений геомагнитного поля и проведено интерпретацию результатов геомагнитных съемок на Сев.Кавказе, в ДДВ, Закарпатье и Львовском палеозойском прогибе. Рассмотрено механизм временных изменений векторов Визе, вычисляемых из результатов наблюдений бухтообразных вариаций геомагнитного поля, и найдено основные математические выражения для него. Дано интерпретацию временных изменений векторов Визе на РГС "Нижнее Селище". Выявлено зону динамической линеаризации на юго-восток от РГС, наличие двух типов аномальных временных изменений векторов Визе на Закарпатском геодинамическом полигоне и проанализировано их связь с сейсмической активностью вблизи Карпатской аномалии электропроводности.

Ключевые слова: геомагнитное поле, аномальные временные изменения, механизм, интерпретация, вектор Визе.

геомагнітний поле аномальний вектор

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність досліджень. Вивчення просторово-часової структури геомагнiтного поля та його варiацiй має важливе значення як при розв'язуваннi глобальних проблем фiзики Землi, так і при вивченні геодинамiчних процесiв в зв'язку з проблемами прогнозу землетрусiв, вулканiчної активностi, а також при використанні високоточної магніторозвідки для пошуків корисних копалин.

В руслі розв'язання зазначених проблем в останні десятиліття сформувався і успішно розвивається новий напрям геомагнітних досліджень - динаміка аномального магнітного поля Землі, під якою розуміють часові зміни геомагнітного поля, викликані фізико-хімічними процесами в земній корі і верхній мантії. Перспективність цього напряму засвідчується великою кількістю цікавих результатів отриманих на геодинамічних полігонах в США, Японії, Західній Європі та в колишньому СРСР. Відомі результати спроб прогнозу землетрусів за геомагнітними даними на сейсмопрогностичних полігонах Узбекистану. Цікаві результати отримані при геомагнітних дослідженнях в регіонах високої вулканічної активності. Перспективними є і роботи лабораторії тектономагнетизму КВ ІГФ при застосуванні цього напряму для прогнозу нафтогазоносності земної кори в Дніпровсько-Донецькій западині (ДДЗ), Терсько-Каспійському прогині.

Успіхи даного напряму геомагнітних досліджень значною мірою завдячують розробкам і впровадженню в практику протягом 1960-80-тих років високоточної (чутливість 0.1 нТл) апаратури, в першу чергу протонних магнітометрів, дрейф нуля в яких практично відсутній. Однак, ними вимірюється лише модуль магнітного поля, тому виникає потреба додаткового аналізу методик отримання і оцінки результатів спостережуваних змін геомагнітного поля.

Перехід на неперервні режимні геомагнітні спостереження дозволив значно розширити уявлення про часовi зміни геомагнітного поля і механізми, що лежать в їх основі. Дослідження часових змін параметрів геомагнітних варіацій різних періодів виявили в ряді випадків кореляцію їх аномального проходження з сейсмічними подіями. Особливий інтерес викликають бухтоподібні варіації з періодами від одиниць хвилин до 1.5 - 2 годин. На їх основі досліджуються часові зміни векторів Візе. Однак, акцент в цих роботах ставиться на виявлення кореляцій аномальної поведінки векторів Візе з сейсмічними подіями. Дослідження механізмів, локалізованих в корі і верхній мантії, що можуть спричинити певні типи аномальної часової поведінки цих векторів, розвинуті, на наш погляд, ще недостатньо.

Отже, задачі пов'язані з розвитком теоретичних уявлень про геодинамічні механізми аномальних змін геомагнітного поля та параметрів його варіацій, удосконалення методик отримання та інтерпретації відповідного експериментального матеріалу, сприяють вирішенню актуальних проблем геофізики.

Метою даної роботи є встановлення основних механізмів аномальних часових змін геомагнітного поля та параметрів його варіацій, розвиток теоретичних і методичних засад їх виділення та інтерпретації для вивчення сучасних геодинамічних процесів. В роботі розв'язувались наступні задачі:

1.Теоретичне дослідження механізмів аномальних часових змін геомагнітного поля та їх математичне моделювання.

2.Аналіз та удосконалення методик отримання аномальних часових змін модуля геомагнітного поля з метою підвищення надійності результатів інтерпретації динаміки геомагнітного поля.

3.Розробка алгоритму інтерпретації аномальних часових змін геомагнітного поля, та його реалізація у вигляді системи програм для ЕОМ.

4.Інтерпретація аномальних часових змін геомагнітного поля за даними профільних зйомок на території Північного Кавказу та України.

5. Експериментальні дослідження часових змін вектора Візе, теоретичні розробки геодинамічних механізмів цих змін та їх інтерпретація в зв'язку з сейсмопрогностичними роботами на Закарпатському геодинамічному полігоні.

Наукова новизна:

1. Вперше побудовано стохастичну модель динаміки аномального магнітного поля для квазіоднорідного середовища. Для даної моделі знайдено, що між статистичними параметрами змін магнітного поля і характером структурних змін в середовищі існують однозначні відповідності.

2. Запропоновано нові варіанти удосконалення методик повторних геомагнітних модульних зйомок.

3. Розроблено алгоритм інтерпретації динаміки аномального геомагнітного поля, в основу якого покладено принцип узгодження всіх ланок магнітної моделі, та реалізовано його у вигляді системи комп'ютерних програм.

4. Отримано нові результати при інтерпретації геомагнітних зйомок на Пн. Кавказі, в ДДЗ, Закарпатті та Львівському палеозойському прогині.

5. Вперше запропоновано оригінальний фізичний механізм для пояснення часових аномальних змін напряму векторів Візе, що полягає в динамічній квазілінеаризації окремих локалізованих зон аномальної електропровідності, та знайдено основні математичні вирази для операцій з цими векторами.

6. На основі інтерпретації часових змін векторів Візе, виявлено зону динамічної лінеаризації. Встановлено наявність двох стійких незалежних типів аномальних змін векторів Візе на Закарпатському геодинамічному полігоні.

Достовірність отриманих результатів досліджень забезпезпечується застосуванням математично строгих методів аналізу; використанням достовірно встановлених закономірностей в суміжних галузях науки (фізичній та колоїдній хімії, електродинаміці, гідродинаміці, математичній статистиці); перевіркою правильності програм чисельного математичного моделювання на прикладах, для яких існують аналітичні розв'язки; порівнянням отриманих результатів з даними інших методів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в підвищенні рівня надійності виділення і оцінки аномальних часових змін геомагнітного поля, що розширює перспективи застосування високоточних геомагнітних методів при моніторингу активних геодинамічних зон.

Розроблений алгоритм та програми інтерпретації динаміки геомагнітного поля використовувались в роботах лабораторії тектономагнетизму КВ ІГФ для інтерпретації геомагнітних профілів на території Пн. Кавказу та України. Результати цих робіт ввійшли в звіти з госпдоговірних робіт з виробничими організаціями «Грознафтогеофізика», «Чернігівнафтохімгеологія»

Методика вивчення та інтерпретації часових змін векторів Візе впроваджена в Карпатській дослідно-методичній геофізичній партії як елемент комплексної інтерпретації результатів сейсмопрогностичних робіт в Закарпатті.

Особистий вклад автора. Особисто автором запропоновано стохастичну модель динаміки геомагнітного поля, проведено аналіз отриманих результатів та можливості їх практичного застосування. Автор приймав безпосередню участь в отриманні експериментального матеріалу з динаміки магнітного поля на регіональних профілях в Терсько-Каспійському прогині, Львівському палеозойському прогині і в Закарпатті. Загальна інтерпретація матеріалу здійснюва-лась автором спільно з В.Г. Кузнєцовою і В.Ю. Максимчуком, при цьому автором розроблено алгоритм математичного моделювання і проведено всі модельні обчислення. Автор приймав участь в отриманні та обробці експериментального матеріалу з геомагнітних варіацій на РГС «Нижнє Селище» і проводив обчислення компонент векторів Візе. Особисто автором запропоновано механізм аномальної зміни напряму вектора Візе, проведено його теоретичне дослідження, виявлено два типи аномальної поведінки векторів Візе в Закарпатті.

Апробація. Основні результати, викладені в роботі, доповідались на 13-тій конференції молодих вчених ІППММ АН України (Львів, 1988 р.), 5-му Всесоюзному з'їзді з геомагнетизму (Владимир-Суздаль, 1990 р.), на школі-семінарі щодо проблем геомагнітних провісників землетрусів (Алма-Ата, 1991 р.), 1-й Українській науковій конференції «Комплексні дослідження сучасної геодинаміки Земної кори» (Алушта, 1993 р.), науково-практичній конференції «Нафта і газ України - 96» (Харків, 1996 р.), конференції Наукового Товариства ім. Т.Г.Шевченка (Львів, 1997-98 рр.), міжнародній конференції, присвяченій сейсмоелектромагнетизму (Токіо, 1997р.), та ряді семінарів КВ ІГФ НАНУ.

Публікації. Матеріали роботи опубліковано в 9 статтях, з них 6 в фахових наукових журналах, та в 14-ти тезах наукових конференцій.

Обсяг і структура роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, переліку посилань із 130 найменувань, включає 22 рисунки і 15 таблиць. Загальний обсяг роботи 162 сторінки, з них 125 сторінок тексту.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Робота виконувалась в Карпатському відділенні інституту геофізики ім. С.І.Субботіна відповідно до відомчої тематики Національної академії наук України: «Комплексні геофізичні дослідження напружено-деформованого стану земної кори і пошук провісників землетрусів в Закарпатті», «Геофізичні дослідження сейсмотектонічних процесів в Карпатському регіоні» та в рамках завдань ДКНТПП України по програмі 5.53.1 «Проблеми нафтогазових ресурсів України та наукові засади їх вирішення».

Автор вважає своїм приємним обов'язком висловити глибоку подяку своїм керівникам д.ф.м.н. В.Ю. Максимчуку і к.т.н. В.Г. Кузнєцовій за постійну підтримку і допомогу при виконанні цієї роботи. Автор висловлює вдячність також к.ф.м.н. А.І. Білінському, к.г.м.н. Т.З. Вербицькому, д.г.м.н. Я.С. Сапужаку та директору центру даних сонячно-земних зв'язків РАН к.г.м.н Є.П. Харіну, співпраця і конструктивні дискусії з якими були дуже корисними при виконанні даної роботи.

2. КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність досліджень і формулюються основні задачі, що розв'язуються в роботі.

В першому розділі на основі аналітичного огляду літературних джерел розглядаються основні фізичні механізми, що можуть спричинити аномальні часові зміни геомагнітного поля. В основі цих механізмів лежать п'єзомагнітний ефект і флюїдодінамічні ефекти в дисперсних системах (в першу чергу електрокінетічний).

П'єзомагнітний ефект полягає в зміні величини і розподілу вектора намагніченості магнетиків при їх механічних деформаціях і навантаженнях. Експериментально спостерігались два типи змін намагніченості: незворотні і зворотні. Механізми незворотніх змін намагніченості можуть бути дуже різноманітними. Наприклад, зміни доменної стуктури феромагнітних зерен при дії механічних напружень в зовнішньому магнітному полі (п'єзозалишкова намагніченість), механічне руйнування зерен, перерозподіл і переорієнтація ферромагнітних зерен у породі при процесах часткового руйнування її стуктури та інші. Очевидно, кожен з таких механізмів суттєво визначається ефектами, що не характерні іншим. Тому логічно пов'язувати сам аналіз незворотніх механізмів з відповідними ефектами. Отже, під п'єзомагнітним ефектом в гірських породах будемо розуміти зворотні зміни намагніченості в області пружних деформацій. Така домовленість не суперечить розумінню п'єзомагнітного ефекту, прийнятому в літературі з геомагнетизму. Дійсно, вважається (Сковородкин Ю.П., 1985), що вивчення сучасних геодинамічних процесів в значній мірі може спиратись на інтерпретацію часових змін геомагнітного поля, в основі якої лежить положення про наявність зворотніх змін намагніченості.

Класичне формулювання задачі тектономагнетизму на базі п'єзомагнітного ефекту виходить з представлення змін магнітного поля через скалярний потенціал (Sasai Y., 1983) і сумісного розв'язання рівняння Пуассона для цього потенціалу та рівняння пружної рівноваги суцільного середовища з неоднорідністю під дією об'ємних сил. Ця задача розв'язана для неоднорідності у вигляді суцільного включення і включення, що містить плоский розрив (Hao Jin-qi et al, 1982; Sasai Y., 1983, 1994). Oцінки розв'язків показують, що величина аномального магнітного поля п'єзомагнітної природи може становити одиниці - перші десятки нТл, а для моделі з розривом можуть спостерігатись і достатньо великі градієнти аномального магнітного поля - 2-3 нТл/км.

Важливу роль у формуванні аномальних змін геомагнітного поля відіграють флюїдодинамічні механізми, в основі яких лежить електрокінетичний ефект. Можливість генерації помітних аномальних змін в геомагнітному полі на основі електрокінетичного ефекту доведена як значною кількістю натурних спостережень (Сковородкин Ю.П., 1980,1985; Абдуллабеков К.Н., 1987), так і прямими лабораторними експериментами (Martin R.J. et al, 1982).

Зв'язок мiж величиною стороннього електричного струму в капiлярах i градiєнтом тиску, що викликає рух рiдини, виражається формулою Гельмгольца-Смолуховського:



де i_с - густина стороннього електричного струму, - дiелектрична проникнiсть рiдини, ₀ - електростатична постiйна, - динамiчна в'язкiсть рiдини, P - тиск, - електрокiнетичний потенцiал (-потенцiал).

-потенцiал являє собою потенціал поверхні ковзання в подвійному електричному шарі (ПЕШ) відносно нейтрального розчину. Величину -потенцiалу для конкретних систем знаходять експериментально (Ishido T., Mizutani H., 1981, 1983, Жаворонкова В.В., 1986). Основними факторами, що впливають на величину -потенцiалу, і можуть привести до її змін в геологiчному середовищi, є: 1) полярнiсть розчинника, що характеризується його дiелектричною проникнiстю i дипольним моментом молекули; 2) концентрацiя розчину; 3) вплив неiндиферентних та індиферентних електролiтiв; 4) вплив pH; 5) вплив температури; 6) явище капiлярної надпровiдностi (ФридрихсбергД.А., 1984), яке проявляється в рiзкому падiннi експериментальної величини -потенцiалу для капiлярiв радiуса меншого 50 мкм, в той час як _r>50 = const.

Електрокінетичні струми спричинюють просторове розділення зарядів в середовищі. На всякій парі неоднорідностей в напрямі руху рідини накопичуються заряди різних знаків. Це приводить до виникнення електричного поля, яке, в свою чергу, породжує струми провідності. Їх напрям інтегрально є протилежним до напряму сторонніх електричних струмів. Таким чином, через певний час релаксації після зміни флюїдодинамічного режиму, в середовищі встановиться стаціонарний процес загального переносу зарядів. Час релаксації є досить малим, порівняно з часовими масштабами геодинамічних процесів (Kormiltsew V., 1997). Тому при інтерпретації змін магнітного поля на основі електрокінетичного ефекту природньо розглядати моделі стаціонарного процесу.

Рівність величин двох протилежно напрямлених повних струмів означає, що для існування на поверхні середовища магнітного поля, необхідно, щоб їх просторові розподіли були різними. Така умова виконується для моделей, яким властива певна неоднорідність: або у вигляді залежності від координат електрокінетичного коефіцієнту і електропровідності, або у вигляді локалізованих включень в однорідному просторі чи півпросторі. Найбільш характерними для геологічних ситуацій є моделі з точковим джерелом тиску в шарувато-однорідному півпросторі (Fitterman B., 1978; Кормильцев В.В., 1986); включення в однорідному просторі (Кормильцев В.В., 1982; Лопатников В.И., 1987, 1988); локальні контакти (розриви) в однорідному півпросторі (Fitterman B., 1979; Murakami H., 1989). Як було відмічено, при відсутності макронеоднорідностей в однорідному півпросторі, магнітне поле електрокінетичної природи на поверхні буде відсутнє. Реальне геологічне середовище, однак, не є ідеально однорідним, в зв'язку з цим виникає задача дослідження аномальних магнітних ефектів електрокінетичної природи у випадку квазіоднорідного середовища.

Дослідження аномальних часових змін в квазіпостійному геомагнітному полі проводиться в основному за допомогою модульних геомагнітних вимірювань, що пояснюється високою точністю відповідної вимірювальної апаратури. Оскільки магнітне поле є полем векторним, то важливо проаналізувати механізми формування можливих псевдоаномальних часових ефектів в квазіпо-стійному модульному геомагнітному полі. Тобто ефектів, викликаних не процесами в надрах, а векторною суперпозицією постійної і змінної частин геомагнітного поля, що в змінах модуля можуть проявитись як аномальні часові зміни. Очевидно, такі дослідження є необхідною ланкою в задачах інтерпретації динаміки геомагнітного поля.

Розділ 2 присвячений статистичним дослідженням аномальних магнітних ефектів електрокінетичної природи у випадку квазіоднорідного середовища. Дослідження проводяться на основі двовимірної моделі з однорідним полем сторонніх сил. Основними параметрами моделі є пористість середовища Ф, дисперсія параметру пористості D_Ф, частка пористості, що припадає на капіляри з діаметром меншим 20 м - Ф і дисперсія даного параметру D_.. Вважаємо, що Ф і Ф - випадкові нормально розподілені величини для довільного елементарного перерізу середовища. Під елементарним розуміємо переріз, лінійні розміри якого значно більші від розмірів капілярів, але набагато менші розмірів всієї області, в якій мають місце електрокінетичні процеси. В нашій моделі за елементарний переріз приймався квадрат зі стороною 100м. Вся область моделювалася прямокутником 100км10км. Аномальне магнітне поле знаходиться в точці, що перебуває над серединою цього прямокутника.

Фізичною передумовою просторового розділення стороннього струму і струму провідності в нашій моделі є явище капілярної надпровідності. Аналогічне моделювання можна проводити і для інших факторів, що мають вплив на величину -потенціалу. Явище капілярної надпровідності зумовлюється поверхневою електропровідністю _s, що виникає завдяки наявності в рухливому шарі ПЕШ нескомпенсованих іонів одного знаку. Якщо через _v позначити електропровідність нейтрального розчину, то повна електропровідність капіляру буде сумою _s+ _v. Чим менший діаметр капіляру, тим більшу відносну частку у флюїді, що його наповнює, становлять нескомпенсовані іони, отже, тим більше відрізняється від одиниці величина _v+_s/_v. помітно відрізняється від 1 вже для капілярів діаметром 50м. Для високодисперсних пористих систем може перевищувати 1000 (ФридрихсбергД.А., 1984), тобто, електропровідність такої системи може значно перевищувати власну електропровідність розчину. В нашій моделі прийнято (d<20м)=10, (d>20м)=1.

Алгоритм моделі має наступний вигляд. В кожному елементарному квадраті на основі заданих Ф, D_Ф, Ф і D_. генератором випадкових чисел, з використанням алгоритму генерації нормально розподіленого випадкового числа, генеруються конкретні значення величин: Ф(j), Ф(j), j=1,10⁵.

Значення густини стороннього струму і струму провідності через переріз елементарного квадрату визначимо через середню крізь повний переріз густину відповідного струму

, : ; .

Залежність електропровідності дисперсної системи від електропровідності насичуючого флюїду, _f, без врахування явища капілярної надпровідності, має вигляд (Evans J., 1982): ; 1 r 2. Тому для і можна записати

;

де N - кількість елементарних перерізів, (в прийнятій моделі N=10⁵).

Локалізуючи повний струм через елементарний переріз в його центрі, знаходимо, згідно закону Біо-Савара, компоненти (і їх суми) магнітного поля для всіх перерізів. Вся процедура повторюється багато разів. Проводиться підрахунок кількості попадань величини магнітного поля T_A в проміжки, що задаються нерівностями Т_А (k-1) T_A(k) T_A k, k=1,2,....; Т_А - величина проміжків. Остаточний результат має зміст імовірності того, що величина модуля аномального магнітного поля буде перебувати в k-му проміжку:



де N_k - кількість попадань величини T_А у відповідний проміжок;

NMC - повна кількість циклів повторення процедури (приймалась рівною 500).

Дана задача розв'язувалась при різних комбінаціях величин Ф, D_Ф, Ф , D_., оскільки відразу було виявлено, що помітної залежності результатів від константи r, при інших незмінних параметрах, немає.

На основі результатів проведених обчислень зроблено наступні висновки. Практично в усіх розрахованих моделях з імовірністю 1 спостерігається магнітне поле. Величина аномального магнітного ефекту і параметри його імовірнісного розподілу практично не залежать від абсолютних величин Ф, D, , D, а залежать від відношень Ф/D i /D, причому, в першому наближенні можна вважати, що статистичні параметри аномального магнітного ефекту визначаються лише відношенням /D.

Поряд з дослідженнями магнітного ефекту статичного характеру проведено розрахунки розподілів змін магнітного поля в залежності від типу змін параметрів пористості. Виявилось, що у випадку незмінних середніх значеннь і D (що можна трактувати як процес природньої реструктуризації середовища за відсутності зовнішнього впливу), імовірнісні розподіли часових змін магнітного поля практично співпадають з розподілами статичного поля для тих самих і D. Коли ж мають місце зміни D (що характерно при наявності зовнішніх впливів), характер імовірнісних розподілів змін магнітного поля суттєво відрізняється від попереднього випадку. Причому, суттєвими є наступні моменти: помітна асиметрія між розподілами додатніх і від'ємних величин змін магнітного поля; протилежний тип реагування розподілів додатніх і від'ємних величин змін магнітного поля на збільшення і зменшення D: при зменшенні D середня величина додатнього магнітного ефекту буде більша ніж середня величина від'ємного ефекту і навпаки.

Таким чином, з приведених результатів випливає, що порівняння імовірнісних розподілів статичних і часових змін геомагнітного поля натурних зйомок дає принципову можливість виявити наявність чи відсутність детермінованих геодинамічних процесів в середовищі. Якщо імовірнісні розподіли і практично не відрізнятимуться, то цей випадок може дозволити оцінити рівень «природнього магнітного шуму» (тобто, характер магнітного поля внаслідок процесів природньої реструктуризації в верхніх шарах кори) при дослідженнях динаміки геомагнітного поля в зонах активних розломів. Якщо між розподілами і буде суттєва відмінність, то в рамках розглянутої моделі можна робити оцінки інтенсивності процесів міграції мікротріщин і тенденції цих процесів - до розшарування середовища на області більших і менших концентрацій мікротріщин (збільшення D), чи навпаки. Подібне застосування результатів досліджень автор провів при інтерпретації натурних результатів Т, отриманих на Акташському (Північний Кавказ) геомагнітному профілі.

В розділі 3 детально аналізуються особливості величин , отримуваних на основі повторних різницевих модульних зйомок. Показано, що в цих величинах може міститись значна псевдоаномальна складова, викликана суперпозицією векторів Sq-варіації з векторами постійного поля в точках спостереження. В зв'язку з цим, розглядаються варіанти методик отримання різницевих даних вільних від вмісту псевдоаномальних складових. Причому, їх можна використати і ретроспективно, що і робилося нами в даній роботі. Як розвиток задач по удосконаленню методик модульних зйомок, запропоновано і теоретично досліджено (на основі результатів чисельного експерименту) методику різницевого типу, що дозволяє при неповній компонентній зйомці (на польових пунктах не проводиться вимірювань магнітного схилення), але з явним використанням повної інформації про добову варіацію (отримується на базовому пункті), знаходити всі незалежні компоненти геомагнітного поля на всіх пунктах спостережень. Суть її полягає в наступному. Якщо скористатись умовою ідентичності протікання Sq-варіації на пунктах однакової широти (Яновский Б.М., 1978) (і на близько розташованих пунктах), то, маючи на базовій точці повний комплект компонентних даних (H, Z, D, T) на будь-який момент часу (таку неперервність можна забезпечити за допомогою МВС) і, вимірюючи на інших пунктах лише T і H, можна вирахувати величину магнітного схилення на цих пунктах.

Позначимо через D_i магнітне схилення на довільному польовому пункті, D_b - схлення на базі, - однаковий на всіх пунктах вектор зміни горизонтальної сладової між певними моментами часу за рахунок Sq-варіації, H_i1, H_i2, H_b1, H_b2 - горизонтальні складові на польовому і базовому пунктах в моменти часу t₁, t₂ відповідно. Кут D_s - між напрямом зміни горизонтального вектора Sq-варіації і віссю ОХ - однаковий на обох пунктах і легко знаходиться із повного комплексу спостережень на базі. Легко показати, що шукане схилення D_i на польовому пункті знаходиться з виразу

Для отримання конкретних оцінок точності знаходження D_i в залежності від апаратурних похибок, було проведено чисельний експеримент. Задаються значення компонент статичного поля на двох пунктах і модель Sq-варіації. Моделюючи за допомогою генератора випадкових чисел похибки вимірювань, розраховується кут D_i. При цьому для розрахунків беруться всі пари значень поля, інтервал між якими кратний 1^h. Чисельний експеримент проводився для 4-х варіантів інструментальної точності H- 0.01 нТл, 0.1 нТл, 1.0 нТл, 2.0 нТл. При цьому прийнято, що точність отримання даних з МВС та сама, що і для H, а кут D_b у всіх варіантах знаходиться з точністю 10". Для забезпечення статистичного аналізу розрахунки багаторазово повторені.

Результати проведеного моделювання дали можливість зробити наступні висновки. При точності вимірювання Н 0.01 нТл і 0.1 нТл можна з високою довірчою імовірністю по порівняно невеликій кількості вимірювань знаходити схилення D_i з точністю 0.1-0.2. При меншій точності вимірювання Н даний метод не буде ефективним для польових зйомок, але може бути використаний при неперервних режимних спостереженнях на геодинамічних полігонах.

Розділ 4 присвячений інтерпретації результатів спостережень часових аномальних змін геомагнітного поля (). В першій його частині методологічно обгрунтовується алгоритм інтерпретації даних і описуються програми математичного моделювання, які при цьому використовуються.

Зупинимося на основних положеннях алгоритму інтерпретації даних . Інтерпретація проводиться на основі роз'язання прямих задач методом підбору моделей до узгодження модельних і спостережуваних результатів. В усіх випадках наявності в регіоні спостережень статичних геомагнітніх аномалій _А, попередньо до моделювання змін , необхідно підібрати модель джерела статичної аномалії. Така необхідність викликана як потребою оцінити ефекти п'єзомагнітної природи (і ряд інших можливих ефектів, наприклад, підмагнічення під впливом поля вікових варіацій), так і необхідністю забезпечити відсутність впливу псевдоаномалій на висновки інтерпретації.

Розрахунки поля моделей джерел статичних аномалій проводились на основі чисельного інтегрування виразу (Яновский Б.М., 1978)



де - область, зайнята джерелом статичної аномалії; - намагніченість , як функція координат; r - відстань від точки спостереження до точки інтегрування; - оператор градієнту, що береться по координатах точки спостереження і точки інтегрування, відповідно.

Для відповідних обчислень автор розробив програми для дво- і тривимірних областей інтегрування. Перевірка чисельних процедур проводилась на основі співставлення результатів для моделей, що допускають аналітичні розв'язки - пласти, циліндр, сфера при незалежному від координат.

Наступною ланкою кількісної інтерпретації є розрахунки п'єзомагнітної природи в межах підібраної моделі джерела статичної аномалії. На основі порівняння результатів цих розрахунків з експериментальними , оцінюються зміни напружень на глибинах джерела статичної аномалії. Алгоритм обчислень п'єзомагнітної природи наступний. Змінюємо компоненти векторів намагніченості на ; k=1,...Nf ; Nf - кількість елементарних фігур в моделі джерела статичної аномалії. Обчислюємо і, як теоретичні п'єзомагнітної природи в кожній і-тій точці профіля, приймаємо ; i=1,...N. На основі підібраних теоретичних , для значень і , що їм відповідають, згідно відомих залежностей зміни компонент намагіченості від напружень в області пружних деформацій (Hao Jin-qi, et al., 1982;), робимо оцінки змін напружень в елементах джерела статичної аномалії.

Остання ланка моделювання - розрахунки локальних аномалій на основі електрокінетичного ефекту. Згідно даних про геологічну будову регіону, приймається гіпотеза про тип джерела аномалії електрокінетичної природи - розлом, локалізоване включення, точкове джерело чи певні функціональні залежності гідравлічної і електричної провідностей від координат. Підбираючи параметри моделі, розраховуємо компоненти аномального магнітного поля ^ekB_i, i=x,y,z. Величина магнітного ефекту електрокінетичної моделі в полі рівна

де верхній лівий індекс n, A, pz означає значення відповідної компоненти для нормального поля, поля джерела статичної аномалії і поля п'єзомагнітного ефекту, відповідно.

Хоча застосування описаного алгоритму інтерпретації не може виключити принципову неоднозначність розв'язання оберненої геофізичної задачі, однак гарантує максимальну внутрішню узгодженість усіх ланок геомагнітної моделі, що, без сумніву, має важливе значення для використання результатів геомагнітних досліджень при комплексній інтерпретації геолого-геофізичних даних.

В другій частині розділу приводяться результати інтерпретації геомагнітних профілів на території Пн. Кавказу, в ДДЗ, Закарпатті та Львівському палеозойському прогині. Встановлено джерела аномалій та механізми часових змін геомагнітного поля. Результати інтерпретації не суперечать іншим геолого-геофізичним даним про відповідні регіони і суттєво доповнюють їх. Це свідчить про перспективність геомагнітних досліджень в задачах, пов'язаних з геодинамічним прогнозуванням. В деяких випадках (Пн. Кавказ, Закарпаття) відмічалась часова кореляція аномальних змін геомагнітного поля з особливостями сейсмічного режиму території досліджень.

Розділ 5 присвячений дослідженням геодинамічних процесів в Закарпатті на основі вивчення часових параметрів змінної частини геомагнітного поля, а саме - аномальних часових змін векторів Візе, компоненти яких є коефіцієнтами лінійних зв'язків між змінами компонент геомагнітного поля при проходженні бухтоподібних варіацій. Згідно літературних даних аномальні зміни векторів Візе часто корелюють з сейсмічними подіями, однак, дослідженню фізичних механізмів таких аномальних змін приділено недостатньо уваги. В даному розділі проведено аналіз фізичної суті векторів Візе. Запропоновано механізм аномальної часової поведінки векторів Візе, що полягає в динамічній лінеаризації ланцюга локальних зон аномальної електропровідності і отримано основні математичні співвідношення для векторів Візе в рамках математичної моделі прямолінійних провідників, зокрема, правило додавання векторів Візе.

Для випадку одного лінійного провiдника необмеженої довжини і збудника у вигляді вертикально падаючої плоскої хвилi, приймаючи припущення про переважаючий вклад у формування вихiдного сигналу чисто омiчних процесiв, використовуючи закони Ома, Бiо - Савара і зв'язок мiж амплiтудами електричного i магнiтного векторiв в електромагнiтнiй хвилі, отримано, що зв'язок між амплітудами компонент бухтоподібних варіацій можна записати через скалярний добуток у вигляді . Записаний через компоненти цей вираз матиме вигляд Z = a X + b Y. Причому, між абсолютною величиною вектора і сумарною електропровідністю провідника G має місце зв'язок

;

де - кут мiж перпендикуляром, проведеним з осi провiдника на площину спостереження, i напрямом на точку спостереження; r - глибина осi провiдника.

Перейдемо до задачі додавання векторiв Вiзе. Оскільки вектор Вiзе не є вектором фiзичної природи, застосовувати до нього звичайний апарат векторної алгебри i аналiзу без попереднього обгрунтування - неправомiрно.

Вектор Вiзе системи двох прямолiнiйних провiдникiв назвемо сумою двох таких векторiв Вiзе, кожен з яких вiдповiдає одому з провiдникiв системи при виключенні другого. Позначимо через вектори Вiзе, якi були б отриманi при функцiонуванні лише одного з провiдникiв, через - вектор, вiдповiдаючий одночасному функцiонуванню їх обох. Задача в тому, щоб виразити дію через операцiї над звичайними векторами. Результат має вигляд

k + l = m

де k, l, m - скалярнi величини наступного вигляду:

k = W₁ tg ₁ [W₂ tg ₂ - ()]; l = W₂ tg ₂ [W₁ tg ₁ - ()];

m = W₁ W₂ tg ₁ tg ₂ - ()²

Постановка розглянутих задач виникла при інтерпретації часових змін векторів Візе в Закарпатті. Інтерпретація часових змін векторів Візе проводилася для середньомісячних значень векторів, побудованих за даними магнітоваріаційних спостережень на РГС «Нижнє Селище» за період з 1989 по 1997 рр. В результаті інтерпретації, відповідно до запропонованого механізму, що полягає в тимчасовій квазілінеаризації зони локалізованих тривимірних неоднорідностей електропровідності, встановлено наявність такої динамічної зони на південний схід від РГС, в зоні Тереблянського розлому. В районі цієї зони відмічалась і аномально висока дисперсія часових змін (Максимчук В.Ю., 1983). Іншим важливим результатом досліджень є виявлення двох стійких незалежних типів аномальних змін векторів Візе на Закарпатському геодинамічному полігоні - аномальні щодо напряму і аномальні лише за величиною модуля. Для аномальних за модулем векторів відмічається кореляція в часі з особливостями сейсмічного режиму в околі Закарпатського глибинного розлому. Отже, правдоподібною є гіпотеза, що аномалії вектора Візе цього типу викликані змінами електропровідності в верхніх шарах кори, які спричинюються механічними процесами (наприклад реструктуризацією порового простору під дією механічних напружень та внаслідок руйнування), що мають місце при землетрусах та їх підготовці. Це переконує в перспективності розвитку подальших досліджень бухтоподібних варіацій геомагнітного поля з метою встановлення провісників місцевих землетрусів в південно-східній частині Закарпаття.

2. ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Проведено систематизацію типів джерел і механізмів аномальних часових змін геомагнітного поля, в рамках якої вдалося поставити задачу про магнітний ефект для моделі квазіоднорідного середовища.

2. Побудовано стохастичну модель динаміки аномального магнітного поля для квазіоднорідного середовища. На її основі встановлено, що між статистичними параметрами аномальних часових змін магнітного поля і характером структурних змін в середовищі існують взаємно однозначні відповідності.

3. Показано наявність псевдоаномальної складової в часових різницевих змінах модуля геомагнітного поля внаслідок явного не враховування Sq-варіації і запропоновано ряд методичних прийомів, що дозволяють отримати дані вільні від такої складової.

4. Методологічно обгрунтовано алгоритм інтерпретації динаміки аномального геомагнітного поля, в основу якого покладено принцип узгодження всіх ланок магнітної моделі. Цей алгоритм реалізовано у вигляді системи комп'ютерних програм.

5. Проведено інтерпретацію результатів геомагнітних зйомок на Північному Кавказі, в ДДЗ, Закарпатті та Львівському палеозойському прогині. Встановлено джерела аномалій та механізми часових змін геомагнітного поля.

6. Запропоновано оригінальний фізичний механізм для пояснення часових аномальних змін напряму векторів Візе, що полягає в динамічній квазілінеаризації окремих локалізованих зон аномальної електропровідності, та знайдено основні математичні вирази для операцій з векторами Візе в рамках моделі прямолінійних провідників.

7. Проведено інтерпретацію часових змін векторів Візе, отриманих на РГС «Нижнє Селище», в результаті чого виявлено зону динамічної лінеаризації, яка локалізується в околі Тереблянського розлому. Виявлено наявність двох типів аномальних векторів Візе в Закарпатському сейсмоактивному прогині і кореляцію в часі аномальних лише за модулем векторів з особливостями сейсмічного режиму в околі Закарпатського глибинного розлому.

ОСНОВНІ МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ПУБЛІКУВАЛИСЬ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Максимчук В. Ю., Городиський Ю. М., Кузнєцова В. Г., Орлюк М. І., Пашкевич І.К. Дослідження динаміки геомагнітного поля в крайовій частині південного заходу Східно-Європейської платформи//Доповіді АН УРСР. - 1991.- № 7.- с. 95 - 99.

2. Максимчук В.Е., Кузнецова В.Г., Городыский Ю.М. Региональная аномалия вековой вариации геомагнитного поля в Европе и возможные причины ее возникновения//Геофиз. журнал.- 1993.- № 4.- с. 47 - 64.

3. Максимчук В. Е., Орлюк М. И., Городыский Ю. М., Кузнецова В. Г., Чоботок И.А. Короткопериодные вариации геомагнитного поля в центральной части Днепровско-Донецкой впадины//Геофиз. журнал.- 1996.-№ 3.- с. 52 - 56.

4. Харин Е.П., Кузнецова В.Г., Городыский Ю.М., Максимчук В.Е. Особенности временных изменений передаточных функций геомагнитного поля в Закарпатье//Геофиз. журнал.- 1996.-№ 3.- с. 76 - 83.

5. Кузнєцова В. Г., Максимчук В. Ю., Городиський Ю. М., Сєдова Ф.І. Комплекс наземних спостережень для вивчення аномальних електромагнітних явищ, пов'язаних із землетрусами//Косм. наука і техн.- 1997.-т.3,№ 1-2.-с.34-42.

6. Городиський Ю. М., Максимчук В. Ю. Деякі аспекти геомагнітних вимірювань, пов'язані з Sq-варіацією. //Геофиз. журнал.- 1997.-№ 5.- с. 74-78.

7. Максимчук В.Е., Городыский Ю.М., Кузнецова В.Г., Орлюк М.И., Пашкевич И.К. Тектономагнитные исследования на юго-западной окраине Восточно-Европейской платформы//Геодинамические исследования в Украине.-Киев: Наукова думка.- 1995.- с. 18 - 24.

8. Кузнєцова В.Г., Максимчук В.Ю., Городиський Ю.М. Застосування тектономагнітних досліджень для вивчення сучасної тектонічної активності літосфери//Геолого-геофізичні проблеми сейсмічного районування Західних областей України.- Львів: 1993.- с.59 - 63 (Препр./ НАН України. ІППММ; 17-93).

9. Городыский Ю.М. К интерпретации временных изменений геомагнитного поля в Терско-Каспийском прогибе.//Материалы 13 конференции молодых ученых ИППММ АН УССР- Деп. ВИНИТИ 06.12.1989, № 7242 - В 89.- ст.37-41.

10. Городыский Ю.М. Электрокинетические токи как источники временных изменений геомагнитного поля//IV Всесоюзный съезд по Геомагнетизму. Тезисы докладов.Ч.II.- Владимир-Суздаль, 1991.- с. 5 - 6.

11. Кузнецова В.Г., Доценко И.Ф., Лебедович В.И., Городыский Ю.М. Тектономагнитные исследования в Закарпатском сейсмоактивном регионе//IV Всесоюзный съезд по Геомагнетизму. Тезисы докладов.Ч.II.- Владимир-Суздаль, 1991.- с. 12 - 13.

12. Kuznetsova V.G., Maksimchuk V.E., Gorodisky Yu.M. Possibilities of tectonomagnetic method for study of the modern geodynamics and lithosphere structure//7th Meet. the Europian Union of Geosciences. The Abstracts.-Strasbourg, 1993.-p. 110.

13. Городиський Ю.М. Основні геодинамічні механізми часових змін геомагнітного поля//Перша Українська наукова конференція: Комплексні дослідження сучасної геодинаміки Земної кори. Тези доповідей.- Львів, 1993.- с.21.

14. Kharin E.P., Kuznetsova V.G., Gorodisky Yu.M. Time changes of transfer functions at Transcarpathian Mts related to geodynamic regiment //IUGG, XXI General Assembly. The Abstracts.- Boulder,Colorado, 1995 .- p. B 165 - 166.

15. Gorodisky Yu.M. Possible method for geomagnetic declination sirching//IUGG, XXI General Assembly. The Abstracts.- Boulder,Colorado, 1995 .- p. A 86.

16. Maksimchuk V.E., Kuznetsova V.G., Gorodisky Yu.M. Regional anomaly of the Secular variations of the Geomagnetic field in Europe and possible reasons of its initiation//IUGG, XXI General Assembly. The Abstracts.- Boulder,Colorado, 1995 .- p. A 132.

17. Gorodisky Yu.M., Kuznetsova V.G., Maksimchuk V.E. Principles of tectonomagnetic anomalies interpretation //IUGG, XXI General Assembly. The Abstracts.- Boulder,Colorado, 1995 .- p. B 165.

18. Максимчук В. Ю., Орлюк М. І., Кузнєцова В. Г., Городиський Ю. М., Чоботок І.О. Можливості динамічної магнітометрії для пошуків родовищ нафти та газу// Матеріали науково-практ. конф. «Нафта і газ України-96».- Том 2.- Харків.- 1996.- с. 26 - 27.

19. Максимчук В. Ю., Орлюк М. І., Кузнєцова В. Г., Городиський Ю. М., Чоботок І.О. Високоточна магніторозвідка для прогнозування покладів вуглеводнів // Матеріали науково-практ. конф. «Нафта і газ України-96».- Том 2.- Харків.- 1996.- с. 44 - 45.

20. Kuznetsova V., Maksimchuk V., Gorodisky Yu., Dotsenko I., Chobonok I. Geomagnetic monitoring for studying geodynamic and seismotectonic processes in the Ukrainian Carpathians// Proc. International Workshop on Seismo Electromagnetics.- Tokyo, 1997 .- p. 120 - 121.

21. Gorodisky Yu., Kuznetsova V., Maksimchuk V., Kharin E.P. About possible studying geodynamic processes and Earthquakes precursors basing on temporal variations of Wiese vector//Proc. International Workshop on Seismo Electromagnetics.- Tokyo, 1997 .- p. 122 - 123.

22. Gorodisky J. The stochastic model of electrokinetic-magnetic effect for quasihomogenous medium// EGS symposia «Solid Earth Geophysics and Geodesy» - Annales Geophysicae Suppl. I to Vol 16. - 1998.- p. C 278.

23.Кузнєцова В.Г., Максимчук В.Ю., Городиський Ю.М., Чоботок І.О. Тектономагнітні дослідження на території сейсмоактивного Закарпатського прогину//Результати і перспективи геофізичних досліджень у західному регіоні України. Тези доповідей.- Львів.- 1998.- с. 79 - 81.

Размещено на Allbest.ru

...