автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Модели геомагнитных вариаций, обусловленных процессами в земных оболочках, и их исследование

На правах рукописи

Шереметьева Ольга Владимировна

МОДЕЛИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ПРОЦЕССАМИ В ЗЕМНЫХ ОБОЛОЧКАХ, И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

Специальность 05 13 18 - Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003161343

Комсомольск-на-Амуре - 2007

003161943

Работа выполнена в Камчатском государственном университете имени Витуса Беринга («КамГУ имени Витуса Беринга») на кафедре прикладной математики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Кролевец Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Викулин Александр Васильевич, кандидат физико-математических наук, профессор Гайнулин Игорь Фарукович

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и

распространения радиоволн ДВО РАН, п Паратунка, Камчатский край

Защита состоится « » ноября 2007 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212 092.03 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (ГОУВПО «КнАГТУ») по адресу 681013, г Комсомольск-на-Амуре, пр Ленина, 27, ГОУВПО «КнАГТУ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «КнАГТУ» Автореферат разослан « У » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Зарубин М М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации разработаны и исследованы модели вариаций магнитного поля Земли, порождаемых источниками, расположенными в геосферных оболочках (литосфере, внешнем ядре, магнитосфере Земли).

Актуальность работы. Естественное магнитное поле Земли, в основном порождающееся сложными магнитогидродинамическими процессами (МГД-процессами) в ядре Земли [Нечаев, 2003] и токами в магнитосфере [Яновский, 1964], испытывает постоянные возмущения Источники этих возмущений расположены в земных оболочках и на Солнце [Нечаев, 2003] Изучение вклада земных оболочек в регистрируемые возмущения геомагнитного поля (геомагнитные вариации) является дополнительным источником информации как о процессах, протекающих в земных оболочках, так и, в определённой степени, о структуре оболочек Суммарный регистрируемый эффект геомагнитных вариаций зависит как от процессов планетарного масштаба, так и от локальных Геофизические поля-электротеллурическое, приземное электрическое, импульсное электромагнитное, высокочастотный сейсмический шум (ВСЩ) содержат компоненты с частотами близкими к суточным Особый интерес вариации с этими частотами представляют для сейсмоактивных регионов Аномальное поведение этих сигналов изучают и пытаются использовать в качестве одного из комплекса предвестниковых признаков землетрясений для сейсмоактивных регионов мира На Камчатке геомагнитные вариации с частотами порядка суточных и полусуточных в качестве прогностических признаков ранее не рассматривались, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными

Уже не один десяток лет в лабораторных и в естественных условиях проводятся исследования вариаций магнитного поля и эмиссии импульсного электромагнитного излучения при разрушении горных пород До настоящего времени не сложилось единого мнения о природе механизма источника таких вариаций В естественных условиях такие вариации регистрируются, в том числе, и при разрушении горных пород в результате землетрясений В большинстве опубликованных работ исследования направлены в первую очередь на излучения, испускаемые электрическими диполями Землетрясения происходят и в областях, сложенных намагниченными породами, такими как габбро, гранодиорит, гранит биотитовый, гранит лейкократовый, габбро-диорит Однако, излучения магнитных диполей, возникающие при разрушении таких пород, мало изучены Эти излучения вносят вклад в локальные геомагнитные вариации, поэтому актуальным является также построение моделей и исследование особенностей излучения косейсмических магнитных вариаций, сопровождающих достаточно сильные и часто регистрируемые землетрясения с магнитудами т = 5 и т = 6

С другой стороны, при прогнозировании землетрясений в последнее время в качестве информационного параметра используется отклик земных оболочек на приливы Для этого в геофизических полях выделяются вклады с ^

приливными частотами В последние годы на Камчатке широко исследуются высокочастотный сейсмический шум [Рыкунов, 1979, Салтыков, 2006], электротеллурические поля [Кролевец, Копылова, 2003], импульсное электромагнитное поле [Кролевец, Павлюков, 2001] В этих исследованиях установлена связь приливных составляющих с особенностями сейсмичности

В данной работе предполагается, что источники магнитного поля Земли также генерируют отклик на приливное воздействие Можно ожидать, что характер этого отклика будет зависеть от вкладов, вносимых магнитосферными токами и МГД-процессами в ядре Земли

Временные ряды компонент геомагнитного поля, полученные на базе автоматизированного комплекса аппаратуры обсерватории «Паратунка» (географическая широта ср = 52° 58,33'N, географическая

долгота X = 158° 15, 02' Е) за период 2001 - 2003 гг., до настоящего времени не исследовались на наличие отклика на приливное воздействие и существование в отклике с частотами приливных волн 0| и М2 предвестниковых признаков Например, в поведении огибающей временных рядов ВСШ обнаружены прогностические признаки, появляющиеся на частотах приливных волн [Салтыков, 2006]. На данный момент, проблема выделения в сигнале предвестниковых признаков на частотах приливных волн является актуальной, но ее решение невозможно без создания моделей и специального исследования вкладов в вариации геомагнитного поля от местных и планетарных источников Такие исследования могут быть выполнены путём создания и изучения специально построенных моделей

Целью исследования является разработка и исследование математических моделей источников вариаций геомагнитного поля: локальных (в сейсмоактивной зоне) и планетарного масштаба (во внешнем ядре и магнитосфере Земли).

В ходе достижения цели решались следующие задачи

- построение модели литосферного блока с ферромагнитными включениями, порождающего вариации геомагнитного поля в результате сейсмического процесса, анализ модели;

- разработка и обоснование модели, в рамках которой можно адекватно описать основные процессы, порождающие геомагнитные вариации с частотами приливных волн 0| и М2 с источниками, расположенными во внешнем ядре и магнитосфере Земли, анализ модели;

- оценка вкладов от каждого из источников и анализ возможности регистрации и выделения геомагнитных вариаций с частотами приливных волн О, (25,8 ч ) и М2 (12,4 ч) [Мельхиор, 1968] на фоне сигналов генерируемых другими источниками на основе анализа модели,

-оценка возможности использования выявленных особенностей вариаций в качестве прогностических признаков для предсказания землетрясений,

- получение информации о процессах в очагах землетрясений,

- составление комплекса компьютерных программ для выполнения анализа моделей и обработки экспериментальных данных,

- проведение спектрального анализа компонент вектора магнитной индукции с частотами приливных волн О1 и Мг экспериментальных геомагнитных данных, полученных на геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг,

- сопоставление результатов анализа модельных и экспериментальных данных с целью проверки адекватности предложенных в работе моделей

При решении этих задач использованы

- результаты регулярных наблюдений компонент геомагнитного поля за период 2001 - 2003 гг на базе автоматизированного комплекса аппаратуры геофизической обсерватории «Паратунка»;

Основные методы исследования базируются на математическом аппарате математической статистики, линейной алгебры, математического анализа При разработке программ используются методы структурного программирования, а для тестирования алгоритмов и программ метод компьютерного моделирования

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается- соответствием значений вариаций, полученных расчётным путём в результате исследования моделей, с вариациями, регистрируемыми в результате наблюдений,

- согласованностью результатов расчетов и экспериментальных данных,

- сопоставимостью с результатами других исследователей

Предмет исследования: математические модели источников геомагнитных вариаций, составляющие во временных рядах геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за 2001 - 2003 гг с периодами приливных волн О) и М2

В построенных моделях в качестве источников геомагнитных вариаций рассматриваются' во-первых, намагниченный литосферный блок, подвергающийся разрушению в результате сейсмических процессов, во-вторых, токи во внешнем ядре и магнитосфере Земли, подверженные приливным воздействиям

Научная новизна работы:

- впервые предложена и исследована математическая модель источника вариаций магнитного поля, возникающих при активных сейсмических процессах в магнитоактивных породах,

- магнитный диполь обоснован в качестве физического источника вариаций,

- выполнены теоретические оценки для очагов землетрясений с разными магнитудами и показано, что магнитные вариации, возникающие в очагах землетрясений с магнитудами ш = 5 и ш = 6, могут быть зарегистрированы современными приборами,

- впервые предложена и исследована математическая модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля,

- анализ модели показал, что эффекты геомагнитных вариаций, обусловленные приливной деформацией ядра Земли, могут маскироваться эффектами деформаций кольцевого тока магнитосферы,

-теоретически показано, что компоненты рассчитанного вектора магнитной индукции на приливных частотах зависят от координат точки наблюдения и источников вариаций; ,

- анализ наблюдательных данных позволил установить, что полученные по геомагнитным измерениям на среднеширотной станции (ср = 52° 58, 33' Ы) годографы, наблюдаемых приливных составляющих вектора магнитной индукции, в совокупности принадлежат цилиндрическим поверхностям

Научная и практическая значимость работы:

Полученные в работе результаты по построению, обоснованию и исследованию моделей геомагнитных вариаций от источников, расположенных в ядре Земли, магнитосфере и очаговой области землетрясения имеют как фундаментальное, так и прикладное значение при решении задачи об определении основного источника вариаций локального геомагнитного поля Выполненные оценки регистрируемых магнитных вариаций в очагах землетрясений с магнитудами ш = 5 и ш = 6 позволяют судить о возможности выполнения независимых оценок параметров разрыва, в частности очаговой длительности, и интерпретировать косейсмические вариации Результаты оценки вклада от каждого из источников вариаций, рассмотренных в работе, могут быть приняты во внимание при выделении в сигнале с приливными частотами предвестниковых признаков.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель магнитного источника вариаций характеристик электромагнитного поля в литосфере. Результаты исследований амплитуд временных вариаций магнитной индукции, напряженности электрического поля, сопровождающих землетрясения с магнитудами ш = 5иш = 6 2 Модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля

Результаты, полученные в ходе анализа предложенной модели 3. Результаты сопоставления теоретически предсказанных вариаций магнитного поля с наблюдаемыми в районе обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг.

Апробация работы. Основные результаты работы, составляющие содержание диссертации, докладывались на международных и российских конференциях и опубликованы в трудах этих конференций- Первая международная школа-семинар Физические основы прогнозирования разрушения горных пород 9-15 сентября 2001 г, г Красноярск. -Научно-практическая конференция. Новые информационные технологии на Камчатке. Настоящее и будущее 6-10 октября 2001 г, г Петропавловск-Камчатский.

- Конференция молодых исследователей и специалистов Вулканизм, сейсмичность и окружающая среда 10-11 октября 2001 г, г Петропавловск-Камчатский

- XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics June 30 - July 11,2003, Sapporo Japan

-IV Международное совещание по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах 21-27 августа 2004 г, г Петропавловск-Камчатский

- XXI Всероссийская молодёжная конференция Строение литосферы и геодинамика. 19-24 апреля 2005 г., г Иркутск.

- Научно-техническая конференция Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки 17-18 января 2006 г , г Петропавловск-Камчатский

-Ежегодная конференция, посвященная Дню вулканолога, г Петропавловск-Камчатский, 2007г

- XXIV General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics July 2-13,2007, Perugia Italy.

- IV Международная конференция Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений 14-17 августа, 2007г, п Паратунка, Камчатский край

Личный вклад автора

-разработана и исследована математическая модель геомагнитных вариаций, источником которых является очаговая область землетрясения, сложенная магнитоактивными материалами,

- выполнен спектральный анализ и анализ поведения фаз составляющих вектора магнитной индукции с приливными частотами волн Oi и Мг с использованием временных рядов геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг;

-предложена модель источников геомагнитных вариаций, расположенных во внешнем ядре и магнитосфере Земли, и выполнен математический анализ предложенной модели;

- исследован отклик источников магнитного поля Земли на приливное воздействие

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 9 статей в материалах и трудах международных и российских конференций Получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 74 наименования, и трех приложений Основная часть работы изложена на 80 страницах машинописного текста Работа содержит 23 рисунка и 2 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, указаны методы исследований, научная новизна и практическая значимость работы, определен личный вклад автора, а также сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту Кратко изложены структура и содержание работы

В первой главе дается обзор состояния исследований электромагнитных вариаций в сейсмичных районах и приливной составляющей геофизических полей, в том числе, приливной составляющей геомагнитных возмущений от источников, расположенных в жидком ядре, магнитосфере, ионосфере и литосфере Земли

Исследования эмиссии электромагнитного излучения и вариаций магнитной индукции, регистрируемой при разрушении горных пород, с целью прогноза землетрясений, проводятся не один десяток лет [Гохберг, Моргунов, Похотелов, 1988] Достаточно полно изученной теоретической моделью источника таких излучений является электрический диполь или система таких диполей, возникающих при разделении электрических зарядов разноименно заряженными бортами образующихся и раскрывающихся трещин в массивах пород [Гульельми, Левшенко, 1997] В то время как, исследования эффектов от источников, представленных магнитными диполями, носят эпизодический характер [Крылов, Левшенко, 1990], хотя области, сложенные магнитоактивными породами, встречаются достаточно часто, в том числе и на Камчатке.

В настоящее время широко исследуется вопрос о влиянии земных приливов на геофизические поля и на сейсмичность Вариации геомагнитного поля, в основном, связывают с нестационарными процессами в ионосфере и с солнечной активностью [Яновский, 1978, Нечаев, 2003] Обнаружены как отклики на приливное воздействие в ВСШ, так и прогностические признаки, появляющиеся на приливных частотах, в поведении огибающей временных рядов ВСШ [Салтыков, 2006] Специальных исследований, как на Камчатке, так и в других регионах, с целью обнаружения такого отклика в геомагнитном поле до настоящего времени не проводилось.

Во второй главе разработана и исследована модель источника вариаций магнитного поля, возникающих при активных сейсмических процессах в таких магнитоактивных породах, как габбро, гранодиорит, биотитовый и лейкократовый граниты, габбро-диорит. Породы земной коры и литосферы, обладающие ферромагнитными свойствами, намагничиваются статичным магнитным полем Земли и, в результате действия коэрцитивных сил, магнитный момент области, представленной магнитоактивными материалами, оказывается «вмороженным» в вещество В процессе подвижки по разрыву при землетрясении, а также и при медленных движениях, сброс упругих напряжений сопровождается вращением вещества очаговой зоны и, соответственно, вектора магнитного момента M(t) этой области, что приводит к возмущениям магнитного поля в окружающем пространстве

В предлагаемой модели изменение вектора магнитного момента M(t) во ремени происходит по закону

ДМ(1) = [M(t) х (ДФ(1) к)], е к - единичный вектор, перпендикулярный поверхности, в которой роисходит вращение вектора M(t), <p(t) - зависимость изменения угла оворота от времени, которую аппроксимируем следующими зависимостями, беспечивающими плавное изменение со временем угла <p(t), непрерывность о первой производной и кусочную непрерывность второй производной,

ф(0 =

1 о-ог

2 х2 Р (t-(t„ + 2T))2

t„ S t < tn + x

+ p, t0 + x < t < t0 + 2x

2 x2

e P - угол поворота вектора M(t) в результате подвижки на вектор 2<J, т - полное время поворота на угол р («очаговая длительность»).

Магнитный момент M(t) ферромагнетиков очаговой области создаёт в кружающем пространстве собственное магнитное поле с индукцией ВСОбст ращение вещества очаговой области в момент землетрясения (рис 1) риводит к вращению «вмороженного» в него магнитного момента M(t) и оответственно к изменению вектора ВСОбст индукции магнитного поля в каждой очке окружающего пространства, что, в результате, приводит к вариациям Всобст магнитной индукции

а)

ис 1 Схематичное изображение очаговой области (очерчена пунктиром) и вектора агнитного момента М а) до землетрясения - точки Ь и N расположены в центре разрыва на ротивоположных бортах точно друг напротив друга, б) после землетрясения

Вариации индукции магнитного поля оценивались по формуле с)Всо6ст = [ВСОбсг х ^ф^)] Запаздыванием потенциалов пренебрегали, т е оценка была выполнена в квазистатическом приближении Для оценки значений вектор магнитной индукции Всобст представляем дипольной составляющей изменяющегося магнитного поля

_ Зг (М г)-М г2 т

®со6ст = М-М-о -4-^-. (1)

где г - радиус-вектор точки, в которой мы ищем значение вариаций сЖсо6ст индукции магнитного поля, ц0 - магнитная постоянная, ц - относительная магнитная проницаемость вне очаговой области (ц. = 1).

Значения магнитной индукции ВсобСт рассчитывались по формуле (1) для землетрясений с магнитудами т = 5 и т = 6 на расстоянии г = 250 км от их очагов При землетрясении с магнитудой ш = 5 радиус его очаговой зоны составляет 4 - 5 км, с магнитудой ш = 6 около 15 км [Гусев, Мельникова, 1990]. Вариации с!ВС0бст магнитной индукции в результате подвижки оценивались по вытекающей из соотношения (1) формуле (Шовст= Всобст Р> в которой векторы магнитной индукции Всобст и угла поворота вещества очаговой зоны скр^) полагались перпендикулярными (рис. 1)

Теоретические оценки вариаций для магнитоактивных пород - габбро, гранодиорит, биотитовый и лейкократовый граниты, габбро-диорит представлены в таблице.

На основании исследованной модели намагниченного литосферного блока, испытывающего сейсмические воздействия, теоретические расчёты вариаций напряжённости магнитной индукции в ближней зоне для намагниченных пород дали значения порядка от единиц до десятков нТл при землетрясениях с магнитудами ш = 5 и ш = 6, что согласуется с имеющимися наблюдательными данными. Такие значения магнитной индукции регистрируются современной аппаратурой, что может позволить выполнить независимые оценки параметров разрыва в очаге землетрясения, в частности, очаговой длительности (2т).

Таблица Косейсмические вариации напряжённости индукции магнитного поля с!ВС0бсг на расстоянии 250 км от места разрыва

ПОРОДЫ Намагниченность [А/м] Вариации сНЗсобстГнТл]

ш = 5 т = 6

гранит биотитовый 0,65 0,19-0,39 1,95-3,89

гранит лейкократовый 0,84 0,25-0,5 2,52-5,03

гранодиорит 1,83 0,55-1,1 5,48-10,96

габбро-диорит 3,22 0,96-1,93 9,64-19,29

габбро 8,99 2,69-5,38 26,92-53,84

Рис. 2, Модель кольцевого тока в ядре и магнитосфере Земли. Вид ео стороны нулевого меридиана.

В третьей главе предложена модель геомагнитных вариаций, порождённых приливными воздействиями. Магнитное поле Земли, в соответствии с современными представлениями, порождается сложными МГД-процессам й а жидком ядре Земли и токами, которые протекают в магнитосфере. На основании этих представлений, в принятой нами модели сложные МГД-процессы в ядре Земли аппроксимируются кольцевым током, текущим, как предполагается, з плоскости экватора жидкого ядра. Кольцевые токи и магнитосфере, протекающие на расстояниях 2-7 радиусов Земли, считаются сосредоточенными в плоскости эклиптики (рис. 2).

В принятой модели предполагается, что источники геомагнитного поля Земли откликаются на приливные воздействия, и, как следствие, токовые контуры магнитосферы и ядра Земли деформируются, и тем самым порождают вариации геомагнитного поля с частотами приливных волн. В результате такой деформации ток будет течь по деформированному контуру. Исчезновение тока в недеформированном контуре и появление его в деформированном в масштабе планеты эквивалентно появлению составляющей геомагнитных вариаций с частотами приливных волн (рис. 3).

Недеформированный токовый контур разобьём на элементы <1/, каждый с током I. В результате приливных деформаций ядра и магнитосферы, каждый из элементов с1/, недеформированного контура смещается на вектор Ь приливной деформации. Смещение из-за приливных деформаций элементов тока эквивалентно наложению на недеформированный контур замкнутых, заполняющих сегменты целиком, элементарных контуров с током [ (один из элементарных контуров на рисунке заштрихован). Токи смежных сторон, соседних элементарных контуров, компенсируют друг друга. Аналогично, компенсируют друг друга ток недеформированного контура и наложенные на пего токи всех элементарных контуров.

НЕЕЗ«1'

Рис 3 Изменение формы токового контура в результате воздействия приливных волн

Магнитный момент каждого элементарного контура рассчитывался по формуле

с1М =

(I ^

[а/хь],

где г^- радиус ядра Земли, гЕ- радиус Земли. Приливная составляющая магнитного поля, которая вычислялась как суммарный вклад всех элементарных контуров четырёх сегментов, и является источником геомагнитных вариаций с частотами приливных волн. Вектор приливных деформаций Ь оценивался следующим образом во-первых, для каждой из приливных волн вектор И считался сонаправленным вектору приливной силы (-У\У), во-вторых, приливное смещение элементов поверхности жидкого ядра Земли и токовых элементов магнитосферы считались равными тем, какие

были бы в полностью жидком теле. Ь2 = —, где § - ускорение свободного

§

падения, а система координат связана с точкой наблюдения (ось X направлена на север, У - на восток, Ъ- к центру Земли)

Вклад <Ш в магнитные вариации от каждого элементарного контура рассчитывался на основании закона Био-Савара-Лапласа,

с!В = -

ц I гсогс (ъг ([а/ X ь] г) [<д/ х ь

где

радиус-вектор от точки

4ж гЕ V г' г'

наблюдения к токовому контуру Полные вариации В = |с1В вычислялись для

I

разных фаз приливных волн 0|и М2 на всех широтах Данная модель позволила оценить значения вариаций магнитной индукции для фаз приливных волн О, и М2 на всех широтах

а)

Рис 4 Проекции годографов составляющих вектора магнитной индукции а) с периодом волны Мг, 6) с периодом волны О] для геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001-2003 гг (источник вариаций расположен в ядре Земли) Единица измерения 10"4 нТл

Рассчитанные значения амплитуд вариаций на разных широтах от источника, находящегося в ядре Земли, составляют (0,5-8,4) Ю"4 нТл при изменении фазы приливной волны М2 от 0 до 2% и (0,5-6,8) 10"4 нТл при изменении фазы приливной волны 0| в том же диапазоне. На рис 4 приведены проекции рассчитанных годографов составляющих вектора магнитной индукции с периодами волн М2 (а) и О) (б) для геофизической обсерватории «Паратунка» (ср = 52° 58, 33' N. X = 158° 15,02' Е) за период 2001 - 2003 гг Рассчитанные значения вариаций магнитной индукции с периодом волны М2 в районе обсерватории «Паратунка» составили (1,2-1,7) 10~4 нТл, а с периодом волны С>1 соответственно (0,8-1,4) 10"4 нТл Вектор нормали плоскости годографа с периодом волны М2 имеет координаты пМ2 (0,68,0,49, -0,54), а с периодом волны 0| - пш (0,44, 0,89, 0,11)

Рассчитанные значения геомагнитных вариаций для разных широт от магнитосферного источника при изменении от 0 до 2л фазы приливной волны М2 составляют 0,1-2,5 нТл, а при таком же изменении фазы приливной волны О1 соответственно 0,1-1,5 нТл Рассчитанные значения вариаций магнитной индукции в районе обсерватории «Паратунка» для фаз приливной волны М2

составляют 0,7-1 нТл, причем наибольшие значения соответствуют фазам -

1

08 0 6 «4

0 2 0 -0 2 4 44 6 ■0 0 -1-

1 0 8 6 6 04 02 04 2 4 4 46 4 8-1

' /

4.71 ,.157

344

1 4.8464.442 0 0:2 0 4 0.6 М

Ву

злу !

/

у

-1 -0.8-08-0,44.2 0 02 04 0.« 0 8

6)

■1 48-0844412 0 8.2 04 06 08

Вг

1 4.84.64.44.2 0 0244 06 0.8 1

-1 484(4.442 « 0.2 04 06 04

Рис 5 Проекции годографов составляющих вектора магнитной индукции а) с периодом волны М2, б) с периодом волны О) для геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001-2003 гг (источник вариаций расположен в магнитосфере Земли) Измерения по осям приведены в нТл

и —, а наименьшие значения соответствуют фазам л и 2л Значения

геомагнитных вариаций с периодом волны О1 составляют 0,3-1 нТл, где наибольшие значения соответствуют фазам к и 2л, а наименьшие

значения фазам ^ и ~ На рис 5 приведены проекции рассчитанных

годографов составляющих вектора магнитной индукции с периодами волн М2 (а) и О1 (б) для геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг

Вектор нормали к плоскости годографа вектора геомагнитных вариаций с периодом приливной волны М2 имеет координаты пМ2 (0,74,0,49, 0,48), а с периодом приливной волны О1 - п01 (0,79, -0,26, 0,56)

В каждой точке земной поверхности годограф вектора вариаций магнитной индукции с периодами волн М2 и 0( имеет форму эллипса Эллипс лежит в плоскости, ориентация которой в пространстве меняется в зависимости от географических координат точки наблюдения

В результате исследования разработанной модели приливного воздействия на источники магнитного поля Земли установлено, что оцененные значения вариаций от магнитосферных токов на четыре порядка выше вариаций от источника, расположенного в ядре Земли

В четвёртой главе описан метод и результаты обработки геомагнитных данных геофизической обсерватории «Паратунка» (Камчатский край) за период 2001 - 2003 гг Точность исходных данных составляет 0,01 нТл Первоначально из рядов геомагнитных данных были исключены магнитовозмущенные дни, то есть исключали те дни, для которых суммарный К-индекс за сутки превышает значение 32 На втором этапе для уменьшения разброса значений геомагнитные данные усреднялись по часу (60 минут) и по двум суткам (2880 минут) с шагом 60 минут

К усредненным данным отдельно для каждого года и отдельно за период 2001 - 2003 гг применялось синхронное накопление с периодами волн 0| и М2 Усреднённые данные длиной в один период волн О1 и М2 с целью выделения тренда подвергались низкочастотной фильтрации, не изменяющей фазу Выбирались первые три гармоники разложения сигнала в ряд Фурье, т е составляющие с периодами Т, Т/2, Т/3 Проекции годографов составляющих вектора магнитной индукции с частотами приливных волн М2 (а) и О) (б) приведены на рис 6. в той же системе координат, которая описана в третьей главе Годографы составляющих вектора магнитной индукции с периодами волн О, и М2 расположены на поверхностях параболических цилиндров В обоих случаях ось цилиндрической поверхности расположена перпендикулярно оси У, направленной на восток.

1

М: 06 04

■г

о

•о*

44 46 41

Вх

>13 в

\

'■ф

4.72 155

1 -04-06-0 4-0.2 0 02 0406 II

Вх

а)

Ву'

оа 41

4.6 3.» 46

04 сф • 44

4.2 42

0 4.72* 'в. 1Я 4

-0.2 4г

-44 44

-46 0 46

-4а Вх*"

-00-06-044.2 4 02 04 Об 00 '1

Вг У

4-и1 у 1

1 48464442 о 6.2444с оа

1 -00-4.644-42 О 4.2 44 4.6 44

Вх

138«

Т°

4.744

-146-46-44-4.2 4 42 04 46 4.8

Ву

Рис 6 Проекции годографов составляющих вектора магнитной индукции а) с периодом волны М2, б) с периодом волны 0| за 200!-2003гг по данным обсерватории «Паратунка» Единица измерения по осям - нТл

Проекции годографов на плоскость, перпендикулярную оси У, имеют форму эллипсов

Форма годографов вектора магнитной индукции и их ориентация связана с процессами, протекающими в земных оболочках одновременно с приливными воздействиями. Найденные значения геомагнитных вариаций с периодом

приливной волны М2 составляют (0,2-1)±0,05 нТл с минимумами в фазах Щ- и

—, а максимумами в фазах — и —. Значения геомагнитных вариаций с 3 6 6

периодом приливной волны 0| составляют (0,2~0,7)±0,05 нТл, причём

минимумы соответствуют фазам — и —, а максимумы - фазам — и — Вектор

6 6 зз

градиента поверхности, которой принадлежат точки годографа вектора

вариаций с периодом волны М2, имеет координаты gш (0,166, -0,922, 0,349), а с

периодом волны О1 соответственно (0,003, 0,999, -0,0002).

Анализ геомагнитных данных обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг позволил установить, что интервалы возможных изменений и порядок значений вариаций, полученных в результате обработки этих данных, составляют единицы нТл Годографы наблюдаемых приливных составляющих вектора магнитной индукции в совокупности принадлежат цилиндрическим поверхностям Проекции годографов на плоскости, параллельные осям цилиндрических поверхностей, имеют форму эллипсов

В заключении сформулированы основные выводы:

1 Разработана модель магнитного диполя, расположенного в очаге землетрясения представленного намагниченными породами. В основу модели положены известные представления о движении (повороте) очага землетрясения Сброс упругих напряжений в очаге землетрясения сопровождается поворотом вещества очаговой зоны и, как следствие, вектора магнитного момента, «вмороженного» в литосферный блок с ферромагнитными включениями, что приводит к изменению магнитного поля в окружающем очаг пространстве

На основании разработанной модели получены теоретические значения косейсмических вариаций, сопровождающих землетрясения с магнитудами ш = 5 и ш = 6 Они составляют единицы-десятки нТл Такие значения регистрируются современной аппаратурой, что может в будущем позволить выполнить независимые оценки параметров разрыва, в частности очаговой длительности

2 Разработана модель приливного воздействия на токи, протекающие в земных оболочках ядре и магнитосфере В основу модели заложен известный факт об изменении формы поверхности Земли под воздействием лунных приливов, что приводит к деформации токовых контуров и как следствие к изменению магнитного поля Земли

В результате анализа моделей, получены оценки значений вариаций, вызванных приливной деформацией магнитосферных токов, которые составляют 0,1-2 нТл и на четыре порядка выще вариаций от источника,

расположенного в ядре Земли Годографы составляющих вектора магнитной индукции с частотами приливных волн имеют форму эллипсов Ориентация плоскостей годографов зависит от точки наблюдения

3 Установлено, что вариации геомагнитного поля в районе обсерватории «Паратунка» содержат приливные составляющие с частотами волн О, (амплитуда 0,7 нТл) и М2 (амплитуда 0,94 нТл) Измеренные значения вариаций магнитного поля Земли по порядку величины совпали со значениями, рассчитанными для магнитосферного источника, испытывающего приливные деформации Годографы составляющих вектора магнитной индукции с частотами приливных волн принадлежат параболическим цилиндрам, оси которых перпендикулярны оси, направленной на восток Проекции годографов на плоскости, параллельные осям цилиндрических поверхностей, имеют форму эллипсов

4 Сравнительный анализ показал, что ориентация годографов рассчитанных составляющих вектора магнитной индукции с периодами приливных волн Oí и М2 не полностью совпадает с ориентацией годографов, полученных по геомагнитным данным обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг. Это указывает на то, что регистрируемые геомагнитные вариации включают в себя вклад от локальных источников, сопоставимый с планетарным

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Шереметьева, О.В. Модель электромагнитного излучателя, обусловленного сейсмическими процессами / OB Шереметьева, АН. Кролевец // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород Материалы первой Международной школы-семинара, г Красноярск, 9-15 сентября 2001 г. - Красноярск, 2002 - С 310-315

2. Шереметьева, О В Зона землетрясения как электромагнитный излучатель / О.В Шереметьева//Тр КамчатГТУ -2001.-Вып 14 -С. 71-84

3 Шереметьева, О В Модель электромагнитного излучателя, обусловленного активными сейсмическими процессами / OB Шереметьева // Новые информационные технологии: сб. науч. статей по итогам науч.-практич конф. - Петропавловск-Камчатский- Изд-во КГПУ, 2001 - С 90-93 4. Шереметьева, OB. Электромагнитные аномалии очаговой зоны, представленной ферромагнитными породами / О.В Шереметьева И Вулканизм, сейсмичность и окружающая среда Материалы конф молодых исслед-ей и специалистов, Петропавловск-Камчатский, 10-11 октября 2002 г - Петропавловск-Камчатский Изд-во КГПУ, 2001.-С 27-31 5 Sheremetyeva, О V The electromagnetic anomalies source model stipulated by seismic process in magneto active materia! / О V Sheremetyeva, A.N.KroIevets // XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Sapporo, June 30 - July 11, 2003 JSA10/30P/D-017 A 36

6 Шереметьева, О В Возможный механизм магнитных вариаций / О В Шереметьева, А Н Кролевец // Вулканология и сейсмология - 2004 -№2 - С 1-3

7 Шереметьева, О В Геомагнитные вариации, обусловленные приливным воздействием / О В Шереметьева, А.Н Кролевец // Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах. Материалы IV международного совещания по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Петропавловск-Камчатский, 21-27 августа 2004 г. -Петропавловск-Камчатский ИВиС ДВО РАН, 2004 - С 297-300

8 Шереметьева, О В. Вклад приливных деформаций в вариации геомагнитного поля / О В Шереметьева // Строение литосферы и геодинамика. Материалы XXI Всероссийской молодёжной конф , Иркутск, 19-24 апреля 2005 г - Иркутск ИЗК СО САН, 2005 - С 258-260

9 Шереметьева, О В. Приливные компоненты геомагнитных вариаций / О В Шереметьева, А Н Кролевец Н Геофизический мониторинг Камчатки Материалы науч-технич конф , Петропавловск-Камчатский, 17-18 января 2006 г - Петропавловск-Камчатский КФ ГС РАН, 2006 -С 157-164

10 Шереметьева, О В Исследование геомагнитных вариаций на частотах приливных волн / О В Шереметьева, С Э Смирнов // Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений IV Международная конференция 1417 августа 2007 г. с. Паратунка, Камчатская обл, сб докл -Петропавловск-Камчатский-ИКИР ДВО РАН, 2007 -С 205-210

11 Шереметьева, О.В Приливные компоненты геомагнитных вариаций / О В Шереметьева, С Э. Смирнов // Геомагнетизм и аэрономия - 2007 -№5.-С 1-10

Sheremet'eva, О V Tidal Components of Geomagnetic Variations / О V Sheremetyeva, S E Smirnov // Geomagnetism and Aeronomy, 2007, Vol 47, No 5, pp 588-597

12 Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 8658 Программа автоматизации и унификации теоретических расчетов геомагнитных вариаций с периодами приливных волн «TideMagnet» / О В Шереметьева - Зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ 04 07 2007, номер государственной регистрации - 50200701479. - М, 2007

Введение

Глава 1. Современное состояние исследований.

1.1. Исследования электромагнитных вариаций в сейсмоактивных регионах.

1.2. Исследования вариаций с частотами приливных волн в геофизических полях сейсмоактивных регионов.

Выводы к главе

Глава 2. Возможный механизм магнитных и электромагнитных аномалий.

2.1. Модель источника электромагнитных возмущений.

2.2. Излучение в дальней зоне.

-2.3. Магнитные аномалии в ближней зоне.

Выводы к главе

Глава 3. Приливные компоненты геомагнитных вариаций.

3.1. Моделирование вариаций планетарного геомагнитного поля, обусловленных приливными деформациями ядра Земли.

3.2. Моделирование вариаций планетарного геомагнитного поля, обусловленных приливными деформациями токов магнитосферы.

Выводы к главе

Глава 4. Приливные компоненты геомагнитных вариаций во временных рядах данных геофизической обсерватории «Паратунка» (Камчатский край).

4.1. Обработка данных геофизической обсерватории «Паратунка»

4.2. Сравнительный анализ результатов теоретического расчёта и обработанных данных.

Выводы к главе

Естественное магнитное поле Земли, в основном порождающееся сложными магнитогидродинамическими процессами (МГД-процессами) в ядре Земли [49] и токами в магнитосфере [74], испытывает постоянные возмущения. Источники этих возмущений расположены в земных оболочках и на Солнце [29-31, 49, 74]. Изучение вклада земных оболочек в регистрируемые возмущения геомагнитного поля (геомагнитные вариации) является дополнительным источником информации как о процессах, протекающих в земных оболочках, так и в определённой степени о структуре оболочек. Суммарный регистрируемый эффект геомагнитных вариаций зависит как от процессов планетарного масштаба, так и от локальных. Геофизические поля: электротеллурическое, приземное электрическое, импульсное электромагнитное, высокочастотный сейсмический шум (ВСШ) содержат компоненты с частотами близкими к суточным и полусуточным. Особый интерес вариации с этими частотами представляют в сейсмоактивных регионах. Аномальное поведение этих сигналов изучают и пытаются использовать в качестве одного из комплекса предвестниковых признаков землетрясений для сейсмоактивных регионов мира. В СССР такие наблюдения проводились в Таджикистане, Узбекистане, Армении, Крыму, на Камчатке. В азиатском регионе продолжительные наблюдения ведутся в Японии и Китае. На Камчатке геомагнитные вариации с частотами порядка суточных и менее в качестве прогностических признаков ранее не рассматривались. В связи с этим, исследования в данном направлении являются актуальными.

Уже не один десяток лет в лабораторных и в естественных условиях проводятся исследования вариаций магнитного поля и эмиссии импульсного электромагнитного излучения при разрушении горных пород [21]. До настоящего времени не сложилось единого мнения о природе механизма источника таких вариаций. В естественных условиях такие вариации регистрируются, в том числе, и при разрушении горных пород в результате землетрясений. Фокус исследований направлен в первую очередь на излучения, испускаемые электрическими диполями. Но землетрясения происходят и в областях, сложенных намагниченными породами, такими как габбро, гранодиорит, биотитовый и лейкократовый граниты, габбро-диорит. Однако, излучения магнитных диполей, возникающие при разрушении таких пород, мало изучены. Эти излучения вносят вклад в локальные геомагнитные вариации. Поэтому актуальным является также исследование особенностей излучения косейсмических магнитных вариаций, сопровождающих достаточно сильные и часто регистрируемые землетрясения с магнитудами m = 5 и m = 6.

С другой стороны, при прогнозировании землетрясений в качестве информационного параметра используется отклик земных оболочек на приливы. В последние годы на Камчатке широко исследуются геофизические поля на наличие вкладов с приливными частотами: высокочастотный сейсмический шум [52-54], электротеллурические поля [37], импульсное электромагнитное поле [39]. В некоторых из этих работ установлена связь приливных составляющих с особенностями сейсмичности. В данной работе предполагается, что источники магнитного поля Земли также генерируют отклик на приливное воздействие. Можно ожидать, что характер этого отклика будет зависеть от вкладов, вносимых магнитосферными токами и МГД-процессами в ядре.

Временные ряды компонент геомагнитного поля, полученные на базе автоматизированного комплекса аппаратуры обсерватории «Паратунка» (ср = 52° 58,33' ЫД = 158° 15, 02' Е) за период 2001 - 2003 гг., до настоящего времени не исследовались на наличие отклика на приливное воздействие и существование в отклике с частотами приливных волн 0| и М2 предвестниковых признаков. Например, в поведении огибающей временных рядов ВСШ обнаружены прогностические признаки, появляющиеся на частотах приливных волн О1 и М2 [53]. На данный момент, проблема выделения в сигнале с приливными частотами предвестниковых признаков является актуальной, но её решение невозможно без создания моделей и специального исследования вкладов в вариации геомагнитного поля от местных и планетарных источников. Такие исследования могут быть выполнены путём построения и изучения специально построенных моделей.

Целью исследования является разработка и изучение математических моделей источников вариаций геомагнитного поля: локальных (в сейсмоактивной зоне) и планетарного масштаба (во внешнем ядре и магнитосфере Земли).

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- построение модели литосферного блока с ферромагнитными включениями, порождающего вариации геомагнитного поля в результате сейсмического процесса, анализ модели;

- разработка и обоснование модели, в рамках которой адекватно можно описать основные процессы, порождающие геомагнитные вариации с частотами приливных волн 0| и М2 с источниками во внешнем ядре и магнитосфере Земли, анализ модели;

- оценка вкладов от каждого из источников и анализ возможности регистрации и выделения геомагнитных вариаций с частотами приливных волн О) (25,8 часа) и М2(12,4 часа) на фоне сигналов, генерируемых другими источниками, на основе анализа модели;

- оценка возможности использования выявленных особенностей вариаций в качестве прогностических признаков для предсказания землетрясений;

- получение информации о процессах в очагах;

- проведение спектрального анализа компонент вектора магнитной индукции с приливными частотами волн 0| и М2 экспериментальных геомагнитных данных, полученных на геофизической обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг.;

- составление комплекса компьютерных программ для выполнения анализа модельных и экспериментальных данных;

- сопоставление результатов анализа модельных и экспериментальных данных с целью проверки адекватности предложенных в работе моделей.

При решении этих задач использованы:

-результаты регулярных наблюдений компонент геомагнитного поля за период 2001 - 2003 гг. на базе автоматизированного комплекса аппаратуры геофизической обсерватории «Паратунка»;

- компьютерные методы обработки экспериментальных геомагнитных данных.

Основные методы исследования базируются на математическом аппарате математической статистики, линейной алгебры, математического анализа. При разработке программ используются методы структурного программирования, а для тестирования алгоритмов и программ метод компьютерного моделирования.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается:

- соответствием значений вариаций, полученных расчётным путём в результате исследования моделей, с вариациями, регистрируемыми в результате наблюдений;

- согласованностью результатов расчётов и экспериментальных данных;

- сопоставимостью с результатами других исследователей.

Предмет исследования: математические модели источников геомагнитных вариаций; составляющие с периодами приливных волн 0| и Мг во временных рядах геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за 2001 -2003 гг.

В построенных моделях в качестве источников геомагнитных вариаций рассматриваются: во-первых, намагниченный литосферный блок, подвергающийся разрушению в результате сейсмических процессов; во-вторых, токи во внешнем ядре и магнитосфере, подверженные приливным воздействиям.

Научная новизна работы:

- впервые предложена и исследована математическая модель источника вариаций магнитного поля, возникающих при активных сейсмических процессах в магнитоактивных породах;

- анализ модели позволил выполнить теоретические оценки для очагов землетрясений с разными магнитудами;

- показано, что магнитный диполь может рассматриваться в качестве основного физического источника вариаций;

- показано, что магнитные вариации, возникающие в очагах землетрясений с магнитудами т = 5 и т = 6, могут быть зарегистрированы современными приборами, что может позволить в дальнейшем выполнить независимые оценки параметров разрыва и, в частности, очаговой длительности;

- впервые предложена и исследована математическая модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля;

- анализ модели показал, что эффекты геомагнитных вариаций, обусловленные приливной деформацией ядра, маскируются эффектами деформаций кольцевого тока магнитосферы;

- теоретически показано, что компоненты рассчитанного вектора магнитной индукции на приливных частотах зависят от координат точки наблюдения и источников вариаций;

- анализ наблюдательных данных позволил установить, что годографы наблюдаемых приливных составляющих вектора магнитной индукции, полученные по геомагнитным измерениям на среднеширотной станции (ф=53°Ы), в совокупности принадлежат цилиндрическим поверхностям. Проекции годографов на плоскость, перпендикулярную оси У, близки к кривым, полученным на основании анализа модели.

Научная и практическая значимость работы:

Полученные в работе результаты по построению, обоснованию и исследованию моделей геомагнитных вариаций от источников, расположенных в ядре, магнитосфере и очаговой области землетрясения имеют как фундаментальное, так и прикладное значение при решении задачи об определении основного источника вариаций локального геомагнитного поля. Выполненные оценки регистрируемых геомагнитных вариаций в очагах землетрясений с магнитудами ш = 5 и гп = 6 позволяют судить о возможности выполнения независимых оценок параметров разрыва, в частности очаговой длительности, и интерпретировать косейсмические вариации. Результаты оценки вклада от каждого из источников вариаций, рассмотренных в работе, могут быть приняты во внимание при выделении в сигнале с приливными частотами предвестниковых признаков.

Личный вклад автора

- разработана и исследована математическая модель геомагнитных вариаций, источником которых является очаговая область землетрясения, сложенная магнитоактивными материалами;

- предложена модель источников геомагнитных вариаций, расположенных во внешнем ядре и магнитосфере, и выполнен математический анализ предложенной модели;

-рассчитан отклик источников магнитного поля Земли на приливное воздействие, на основании исследования модели;

- выполнен спектральный анализ и анализ поведения фаз составляющих вектора магнитной индукции с приливными частотами волн О] и М2 на с использованием временных рядов геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель магнитного источника вариаций характеристик электромагнитного поля, расположенного в литосфере. Результаты исследований амплитуд временных вариаций магнитной индукции и напряжённости электрического поля, сопровождающих землетрясения с магнитудами ш = 5иш = 6.

2 Модель приливного воздействия на источники геомагнитного поля, расположенные в ядре и магнитосфере Земли. Результаты, полученные в ходе анализа предложенной модели.

3 Результаты сопоставления теоретически предсказанных вариаций магнитного поля с наблюдаемыми в районе обсерватории «Паратунка» за период 2001 -2003 гг.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 9 статей в материалах и трудах международных и российских конференций. Получено свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 74 наименования, и трёх приложений. Основная часть работы изложена на 80 страницах машинописного текста. Работа содержит 23 рисунка и 2 таблицы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

В данной главе выполнены сопоставления теоретических результатов, полученных на основании анализа моделей, с геомагнитными данными обсерватории «Паратунка»:

1. Временные ряды геомагнитных измерений обсерватории «Паратунка» за период 2001 -2003 гг. обработаны с использованием метода синхронного накопления с периодом, в первом случае, равным периоду приливной волны Оь а во втором случае, периоду приливной волны М2. Установлено, что вариации геомагнитного поля в районе обсерватории «Паратунка» содержат приливные составляющие с периодами волн О1 (амплитуда 0,7 нТл) и М2 (амплитуда 0,94 нТл).

2. Интервалы возможных изменений и порядок значений вариаций, полученных в результате обработки данных обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг., совпадают со значениями, теоретически рассчитанными в третьей главе для магнитосферного источника вариаций, что говорит об адекватности модели, предложенной в третьей главе работы.

3. Анализ наблюдательных данных позволил установить, что годографы наблюдаемых приливных составляющих вектора магнитной индукции, полученные по геомагнитным измерениям на среднеширотной станции (ф=53°), в совокупности принадлежат цилиндрическим поверхностям. Проекции годографов на плоскости, перпендикулярные осям парабол, которые расположены в нормальных сечениях цилиндрических поверхностей, имеют форму эллипсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом исследований, выполненных в настоящей работе, являются разработанные и проанализированные модели источников электромагнитных излучений, расположенных в литосфере, ядре и магнитосфере Земли, и проведённый сравнительный анализ с данными обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг. с целью проверки адекватности принятых моделей.

В рамках принятой концепции механоэлектромагнитных преобразователей во второй главе разработана модель магнитного диполя, расположенного в очаге землетрясения, представленного намагниченными породами, такими как, габбро, гранодиорит, габбро-диорит, биотитовый и лейкократовый граниты. В основу модели положены известные представления о движении (повороте) очага землетрясения. Сброс упругих напряжений в очаге землетрясения сопровождается поворотом вещества очаговой зоны и, как следствие, вектора магнитного момента, «вмороженного» в литосферный блок с ферромагнитными включениями, что приводит к изменению магнитного поля в окружающем очаг пространстве. На основании разработанной модели получены теоретические значения косейсмических вариаций от единиц до десятков нТл, сопровождающих землетрясения с магнитудами ш = 5 и ш = 6. Такие значения регистрируются современной аппаратурой, что может позволить в будущем выполнить независимые оценки параметров разрыва, в частности очаговой длительности.

В третьей главе разработана модель приливного воздействия на токи, протекающие в ядре и магнитосфере Земли. Модель основана на гипотезе о наличии отклика на приливное воздействие в этих земных оболочках, то есть в основу модели заложен известный факт об изменении формы Земли и её оболочек под воздействием лунных приливов, что приводит к деформации токовых контуров и как следствие к изменению магнитного поля Земли.

В результате анализа моделей, получены оценки значений вариаций, вызванных приливной деформацией магнитосферных токов, которые составляют 0,1 нТл и на четыре порядка выше вариаций от источника, расположенного в ядре Земли. Вычисленные годографы составляющих вектора магнитной индукции с частотами приливных волн О1 и М2 имеют форму эллипсов. Ориентация плоскостей годографов зависит от точки наблюдения.

В четвёртой главе методом синхронного накопления проведена обработка и анализ геомагнитных данных обсерватории «Паратунка» за период 2001 - 2003 гг. Установлено, что вариации геомагнитного поля в районе обсерватории «Паратунка» содержат приливные составляющие с частотами волн 0| (амплитуда 0,7 нТл) и М2 (амплитуда 0,94 нТл). Годографы составляющих вектора магнитной индукции с частотами волн 0| и М2 принадлежат параболическим цилиндрам, оси которых перпендикулярны оси, направленной на восток. Проекции годографов на плоскости, которые перпендикулярны оси, направленной на восток, имеют форму эллипсов.

Сравнение результатов рассчитанных и обработанных наблюдаемых данных показало, что измеренные значения вариаций магнитного поля Земли по порядку величины и интервалу изменений качественно совпадают со значениями, рассчитанными на основе анализа модели в предположении, что магнитосферные токи испытывают приливные деформации. Качественное совпадение расчетных значений с обработанными геомагнитными измерениями геофизической обсерватории «Паратунка» подтверждает адекватность принятой теоретической модели.

Ориентация и форма годографов, теоретически рассчитанных составляющих вектора магнитной индукции с периодами приливных волн 0| и М2, не полностью совпадает с ориентацией и формой годографов, полученных по геомагнитным данным обсерватории «Паратунка». Совпадения ориентации и фаз можно добиться, если предположить, что токовый контур в магнитосфере расположен под углом «40° к плоскости эклиптики. С другой стороны, не полное совпадение ориентации и формы годографов может быть вызвано линейностью выбранной модели и влиянием локальных источников вариаций, так как теоретические оценки значений косейсмических вариаций имеют тот же порядок от единиц до десятков нТл, что и оценки геомагнитных вариаций с частотами приливных волн.

Алгоритмы обработки теоретических и наблюдательных данных описаны в диссертационной работе и программно реализованы в среде OPEN WATCOM в виде программных модулей, написанных на языке программирования Си++.

Таким образом, можно утверждать, что цель работы достигнута, и на основании разработанных моделей источников вариаций геомагнитного поля: локального и планетарного масштаба, и проведённых сравнительных оценок вкладов от каждого из источников, - временные ряды геомагнитных данных обсерватории «Паратунка» содержат геомагнитные вариации с периодами приливных волн Oi (период 25,82 часа) и М2 (период 12,42 часа). Возможны регистрация и выделение геомагнитных вариаций с периодами приливных волн на фоне сигналов генерируемых другими источниками, и использование выявленных особенностей геомагнитных вариаций при выделении прогностических признаков для предсказания землетрясений, получения информации о процессах в очагах.

1. Gabillard R., Degauque P., Wait J. R. Subsurfase electromagnetic telecommunication - a review. 1.EE Trans. 1971. Dec. COM - 19. № 6. p. 1217-1227.

2. Gershenzon N.I., Gokhberg M.B., Yunga S.L. On the electromagnetic field of an earthquake focus // Phys. Earth Planet. Interiors. 1993. V. 77. P. 13-19.

3. Shapiro V.A., Abdullabekov K.N. Anomalous variations of the geomagnetic field in the Eastern Fergana magnetic precursors of the May earthquake with M=7 (Novtmber, 2, 1978) // Geophys. J.R.Astr.Soc., 1982, 68, P. 1-5.

4. Sheremet'eva O.V. Tidal Components of Geomagnetic Variations / O.V.Sheremetyeva, S.E.Smirnov // Geomagnetism and Aeronomy, 2007, Vol. 47, No. 5, pp. 588-597.

5. Stacey F.D. The seismomagnetic effect // Pure and Appl. Geophys. T.58.1964,-#11.

6. Sugiura M., Protos P.J. A magnetosphere model incorporating the 0G03 and 5 magnetic field observations//Planet Space Sei. 21, #10,1763-1774,1973.

7. Tsyganenko N.A. Modelin the Earht's magnetospheric magnetic field confined within realistic magnetopause // J. Geophys. Res., 100, # A4, 55995612, 1995.

8. Абдуллабеков K.H., Головков В.П. Изменение геомагнитного поля и процессы в земной коре // Физика Земли. 1974. №3. С. 93-100.

9. Астрономический календарь. Постоянная часть. М.: Наука, 1973.

10. Белов C.B., Мигунов Н.И., Соболев Г.А. Магнитный эффект сильных землетрясений на Камчатке // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14. №2. С.380-382.

11. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ.-М.: Мир, 1989. 540с.

12. Брилинджер Д. Временные ряды. Обработка данных и теория М.: Мир, 1980.

13. Викулин A.B. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ. -2003. 151 с.

14. Воробьёв A.A. Естественные геоэлектрические и электромагнитные поля и их применение. Томск: производственно-издательский комбинат ВИНИТИ, 1979. 43с.

15. Гордеев Е.И., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. К вопросу о связи высокочастотного сейсмического шума с лунно-солнечными приливами//Докл. РАН. Т. 340 1995 - № 3.- С. 386-388.

16. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., Добровольский И.П. Источники электромагнитных предвестников землетрясений // Доклады АН СССР. 1980. Т. 250. №2. С. 323-326.

17. Гохберг М.Б., Крылов С.М., Левшенко В.Т. Электромагнитное поле очага землетрясения // ДАН СССР. 1989. Т.308. №1. С.62-65.

18. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов O.A. Сейсмоэлектромагнитные явления. М.: Наука, 1988. 174с.

19. Гульельми A.B. Магнитная структура фронта упругой волны // Физика Земли. 1991. №4. С. 53-58.

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

21. Гульельми A.B., Левшенко В.Т. Электромагнитный сигнал из очага землетрясения // Физика Земли. 1997. № 9. С. 22-30.

22. Гульельми A.B., Левшенко В.Т., Похотелов Д.О. Сравнительный анализ динамических и квазистатических генераций сейсмомагнитных сигналов // Физика Земли. 1996. № 8. С. 18-25.

23. Гусев A.A., Мельникова В.Н. Связь между магнитудами -среднемировые и для Камчатки // Физика Земли. 1990. № 6. С. 55-63.

24. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.:ИФЗ АН СССР, 1991.217 с.

25. Ержанов Ж.С., Курскеев А.К., Рудина М.П. и др. Методика исследования сейсмомагнитного эффекта на Алма-Атинском полигоне и предварительные результаты // Известия АН КазССр. Серия геологическая. №6.-1979. С. 77-81.

26. Земное ядро как источник аномалий в гравитационном и магнитном полях Земли и геодинамических эффектов. М.: МГУ, 1996. 150 с.

27. Изучение природы вариаций геофизических полей. М., 1994. 166 с.

28. Казаков В.В. Регулярные пространственно-временные вариации геомагнитного поля на средних широтах и их особенности в сейсмоактивных регионах. Автореферат дис. канд. физ.-мат. наук. 1983. 17с.

29. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985. 576 с.

30. Касахара К. Механика землетрясений.: Пер. с англ. М.Э. Шаскольской / Под ред. Николаевского В.Н. М.: Мир, 1985. 264с.

31. Колмогоров А.Н., Фомин C.B. Элементы теории функций и функционального анализа М.: Наука, 1981.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука, 1968.

33. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. 176с.

34. Кролевец А.Н., Копылова Г.Н. Приливные составляющие в электротеллурическом поле // Физика Земли. № 5. С. 251-257. 2003.

35. Кролевец А.Н., Павлюков В.К. Инициирование приливного отклика импульсного электромагнитного излучения из литосферы процессами в очагах землетрясений// Препринт № 1(01).- Петропавловск-Камчатский: Изд-во Камчатского пединститута, 1999.

36. Кролевец А.Н., Павлюков В.К. Приливной отклик импульсного электромагнитного излучения и краткосрочный прогноз сильных землетрясений// Проблемы сейсмичности Дальнего Востока/ Под ред. A.B. Викулина Петропавловск-Камчатский, 2000.- С. 171-181.

37. Крылов С. М., Левшенко В. Т. О сверхчастотном электромагнитном излучении литосферного происхождения // ДАН СССР. 1990. Т. 311. №3. С. 579-581.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Теория поля. Т.4. М.: Гостехиздат, 1949. 284с.

39. Левин Дж., Левшенко В.Т. Садовский A.M. О некоторых особенностях регистрации землетрясений безынерционным сейсмометром // ДАН СССР. 1988. Т.300. №2. С.326-328.

40. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений М.: Физматгиз, 1962.

41. Мельхиор П. Земные приливы М.: Мир, 1968.

42. Мигунов Н.И., Соболев Г.А., Хусамиддинов С.С. Собственное электромагнитное излучение сейсмоактивных регионов // Доклады АН УзССР. № 4. 1989. - С. 47-49.

43. Мигунов Н.И., Хромов A.A., Соболев Г.А. Естественное электромагнитное излучение и сильные землетрясения на Камчатке // Вулканология и сейсмология. № 4. 1983. - С. 93-97.

44. Моргунов В.А. Акустическая, электромагнитная эмиссии и деформационный процесс // Динамические процессы в геофизической среде. М.: Наука, 1994. С. 167-185.

45. Нечаев С.А. Руководство для стационарных геомагнитных наблюдений. Иркутск, 2003. 92 с.

46. Паппас К., Мюррей У. Отладка в С++ М.: Бином, 2001.

47. Ризниченко Ю.Ф. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976. С. 9-27.

48. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Временные вариации высокочастотных сейсмических шумов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1979. № U.C. 72-77.

49. Салтыков В.А. О воздействии земных приливов на сейсмические процессы// Проблемы сейсмичности Дальнего Востока / Под ред. A.B. Викулина- Петропавловск-Камчатский, 2000 С. 12-21.

50. Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. Вариации приливной компоненты высокочастотного сейсмического шума в результате изменения напряженного состояния среды// Вулканология и сейсмология 1997 - № 4 - С. 73-83.

51. Серафимова Ю.К. О связи сильных (Mw>7.5) землетрясений Камчатки с солнечной активностью // Геофизический мониторинг Камчатки:

52. Материалы науч.-технич. конф., Петропавловск-Камчатский, 17-18 янв. 2006 г. Петропавловск-Камчатский: КФ ГС РАН, 2006. - С. 171-177.

53. Сергеев В.А., Цыганенко Н.А. Магнитосфера Земли. М.: Наука, 1980. 174 с.

54. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Спб.: Питер, 2003. 608 с.

55. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.

56. Страуструп Б. Язык программирования С++ СПб.: Невский Диалект, 2000.

57. Сурков В.В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах. М.: МИФИ, 2000. 448 с.

58. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика / Под редакцией д-ра геол. -минеролог. наук Н. Б. Дортман. М.: Недра, 1984. 455с.

59. Хомутов С.Ю. Исследование зависимости глобальной сесмичности от положения Луны. Новосибирск, 1992. - 26 с.

60. Шереметьева О.В. Вклад приливных деформаций в вариации геомагнитного поля // Строение литосферы и геодинамика: Материалы XXI Всероссийской молодёжной конф., Иркутск, 19-24 апр. 2005 г. -Иркутск: ИЗК СО САН, 2005. С.258-260.

61. Шереметьева О.В. Возможный механизм магнитных вариаций / О.В. Шереметьева, А.Н. Кролевец // Вулканология и сейсмология. 2004. -№2. - С. 1-3.

62. Шереметьева О.В. Зона землетрясения как электромагнитный излучатель // Тр. КамчатГТУ. 2001. - Вып. 14. - С. 71 -84.

63. Шереметьева О.В. Модель электромагнитного излучателя, обусловленного активными сейсмическими процессами // Новые информационные технологии: сб. науч. статей по итогам науч.-практич. конф. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ, 2001. - С.90-93.

64. Шереметьева О.В. Приливные компоненты геомагнитных вариаций / О.В. Шереметьева, С.Э. Смирнов // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. -№5.-С. 1-10.

65. Электромагнитные сейсмо-магнитосферно-ионосферные эффекты. М., 1991. с.

66. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. 592 с.