Статья 'Исследование геоэлектрической структуры земной коры на базе анализа фазовых скоростей ультранизкочастотных геомагнитных вариаций' - журнал 'Кибернетика и программирование' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:

Исследование геоэлектрической структуры земной коры на базе анализа фазовых скоростей ультранизкочастотных геомагнитных вариаций

Коробейников Анатолий Григорьевич

доктор технических наук

профессор, Санкт-Петербургский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук.

199034, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Менделеевская, 1

Korobeinikov Anatolii Grigor'evich

Doctor of Technical Science

professor, Pushkov institute of terrestrial magnetism, ionosphere and radio wave propagation of the Russian Academy of Sciences St.-Petersburg Filial

199034, Russia, g. Saint Petersburg, ul. Mendeleevskaya, 1

Korobeynikov_A_G@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Исмагилов Валерий Сарварович

кандидат физико-математических наук

Ученый секретарь, Санкт-Петербургский филиал Федерального Государственного бюджетного учреждения науки Института Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиово

199034, Санкт-Петербург, Василеостровский район, Университетская наб., 5

Ismagilov Valery Sarvarovich

PhD in Physics and Mathematics

199034, Sankt-Peterburg, Vasileostrovskii raion, Universitetskaya nab., 5

IVS@izmiran.spb.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Копытенко Юрий Анатольевич

доктор физико-математических наук

Директор, Санкт-Петербургский фи¬лиал Федерального Государственного бюджетного учреждения науки Института Земного маг¬нетизма, ионосферы и распространения радио

199034, Санкт-Петербург, Василеостровский район, Университетская наб., 5

Kopytenko Yurii Anatol'evich

Doctor of Physics and Mathematics

119454, Russia, g. Moscow, ul. Prospekt Vernadskogo, 76

Korobeynikov_A_G@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Петрищев Максим Сергеевич

кандидат технических наук

199034, Санкт-Петербург, Василеостровский район, Университетская наб., 5

Petrishchev Maksim Sergeevich

PhD in Technical Science

199034, Saint Petersburg, Vasileostrovskii raion, Universitetskaya nab., 5

Korobeynikov_A_G@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 

DOI:

10.7256/2306-4196.2013.2.8736

Дата направления статьи в редакцию:

17-03-2013


Дата публикации:

1-4-2013


Аннотация: В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований геоэлектрической структуры земной коры проведенных в Карелии. Для проведения исследований были установлены 5 высокочувствительных трехкомпонентных магнитовариационных станций GI-MTS-1 разнесенных на 5-10 км друг от друга. Частота регистрации данных составляла 50 Гц. Для анализа изменения кажущегося удельного сопротивления с глубиной на всех 5 пунктах была выполнена обработка исходных данных двумя методами - магнитотеллурическим и фазово-градиентного зондирования. Для определения кажущегося удельного сопротивления на каждой из магнитных станций методом магнитотеллурическим определялось кажущееся удельное сопротивление земной коры и строилось изменение удельного сопротивления с глубиной. Предварительные результаты обработки позволили выявить ряд проводящих слоев в земной коре на глубинах 2-3 и 15-20 км, вероятно связанных с шунгитоносными горизонтами. Сопоставление результатов интерпретации методов магнитотеллурическим и фазово-градиентного зондирования показало хорошее их соответствие.


Ключевые слова: эксперимент, исследование, геоэлектрическая структура, магнитотеллурический метод, фазово-градиентное зондирование, магнитная станция, удельное сопротивление, частота вариаций, земная кора, геомагнитное возмущение

Abstract: This article presents the results of experimental studies of the geoelectric structure of the crust held in Karelia. For research the authors established 5 highly ternary magnetovariational stations GI-MTS-1 separated by 5-10 km apart. The frequency of data recording was 50 Hz. To analyze the changes in apparent resistivity with depth at all 5 locations the authors perofmed processing of input data by two methods - magnetotelluric and phase-gradient sensing. To determine the apparent resistivity in each of the magnetic stations authors determined the apparent magnetotelluric resistivity of the earth's crust and changes in the system of resistivity with depth. Preliminary processing results revealed a number of conductive layers in the earth's crust at depths of 2-3 and 15-20 km, probably related to the shungite-bearing horizons. Comparison of methods for the interpretation of magnetotelluric and phase gradient sensing has shown their good match.



Keywords:

frequency variations, resistivity, magnetic station, phase gradient sensing, magnetotelluric method, geoelectric structure, research, experiment, earth crust, geomagnetic disturbance

Введение

В августе 2012 года в районе п. Толвуя (Карелия) были проведены синхронные наблюдения ультранизкочастотных вариаций (УНЧ) вариаций электромагнитного поля Земли для определения глубинных аномалий электропроводности земной коры. Выбор данного места связан с тем, что в этом районе наблюдаются выходы высокопроводящих шунгитоносных пород на земную поверхность. Для проведения исследований были установлены 5 высокочувствительных трехкомпонентных магнитовариационных станций GI-MTS-1 разнесенных на 5-10 км друг от друга. Частота регистрации данных составляла 50 Гц. Для анализа изменения кажущегося удельного сопротивления с глубиной на всех 5 пунктах была выполнена обработка исходных данных двумя методами - магнитотеллурическим (МТЗ) и фазово-градиентного зондирования (ФГЗ). Метод ФГЗ разработан в СПбФ ИЗМИРАН и для его применения необходимо наличие не менее трех магнитовариационных станций расположенных треугольником на земной поверхности [1-4]. Сопоставление результатов интерпретации методов МТЗ и ФГЗ показало хорошее их соответствие.

Схема эксперимента

На каждой из 5 установленных станций были проложены горизонтальные электрические линии (С-Ю и З-В) длиной 50 м. На рис.1

1

Рис.1 Расположение пунктов регистрации УНЧ геомагнитных возмущений во время эксперимента.

показано расположение пунктов регистрации УНЧ (Т=0.2-1000 сек) геомагнитных возмущений во время эксперимента. В течение первой фазы эксперимента магнитовариационные станции были уста­нов­ле­ны в пунктах 1 – 5 (красные кружки на рис.1), затем станции из пунктов 1, 2, 4 и 5 были перенесены в точки С1, С3, С5 и С7 (синие кружки на рис.1). Сетка на рисунке состоит из квадратов со стороной 1 км. Первая и вторая фазы эксперимента продолжались 4 и 3 суток соответственно.

Определение кажущегося удельного сопротивления земной коры с помощью фазовых скоростей геомагнитных возмущений

Как известно, длина электромагнитной волны l (в км) с периодом Т (в сек) в среде с удельным сопротивлением ρ (в Ом·м) определяется следующим образом [5]:

`lambda=sqrt(10rhoT)` (1)

По определению фазовая скорость (км/с) геомагнитных вариаций в среде определяется следующим образом:

`V_(ph)=w/k=lambda/T=sqrt((10rho)/T)` (2)

Из (2) для величины удельного сопротивления среды ρ получаем:

`rho=0.1(V_(ph))^(2)T` (3)

В геоэлектрике для определения величины кажущегося удельного сопротивления среды иногда применяют следующее выражение:

`rho=0.1Z^2T` (4)

В (4) Z =Е /В (км/с) – величина пропорциональная импедансу, который определяется как отношение Е /Н .

Используя выражение (3) можно определить удельное сопротивление среды, если известна фазовая скорость распространения электромагнитной волны вдоль земной поверхности. Для определения вектора фазовой скорости вдоль земной поверхности необходимо наличие трех магнитовариационных станций расположенных треугольником и разнесенные на 3-10 км друг от друга. Фазовая скорость между парами станций в треугольнике определяется следующим образом [1-4]:

`{(V_(12)=(2pifd_(21))/(ln((B_1(t))/(B_2(t+tau_(12)))))),(V_(13)=(2pifd_(31))/(ln((B_1(t))/(B_3(t+tau_(13)))))):}` (5)

где f – частота вариаций,

d 21=x 2x 1 – расстояние между двумя точками на земной поверхности,

B 1, B 2, B 3 – значения индукции магнитного поля в момент времени t ,

τ 12, τ 13 – фазовые задержки при использовании соответствующих пар станций в треугольнике.

Зная фазовые скорости V 12 и V 13 можно определить вектора фазовой скорости и градиента вдоль земной поверхности.

Для вектора фазовой скорости вдоль земной поверхности азимут направления и модуль вектора:

`{(alpha=arctg((V_(12)cos(alpha_1)-V_(13)cos(alpha_2))/(V_(12)sin(alpha_1)+V_(13)sin(alpha_2)))),(|V|=V_(12)cos(alpha+alpha_1)):}` (6)

`
`

Для вектора градиента вдоль земной поверхности азимут направления и модуль вектора:

`{(alpha=arctg((G_(12)cos(alpha_1)-G_(13)cos(alpha_2))/(G_(12)sin(alpha_1)+G_(13)sin(alpha_2)))),(|G|=G_(12)cos(alpha+alpha_1)):}` (7)

В выражениях (6) и (7) V 12, V 13, G 12, G 13 – величины фазовых скоростей и градиентов в направлении между парами магнитных станций 1 и 2, 1 и 3. a - направление соответствующего вектора относительно оси юг – север, |V | и |G | – величины фазовой скорости и градиента вдоль земной поверхности. Углы а 1 и а 2 определяются через координаты магнитных станций 2 и 3 (базовая станция 1 расположена в начале системы координат): а 1= arctg(x 2/y 2), а 2 = arctg(x 3/y 3).

Геомагнитные волны распространяются от какого-то источника генерации пульсаций, поэтому вектора фазовой скорости и градиента вдоль земной поверхности позволяют нам определить направление на этот источник (точнее, на его проекцию на земную поверхность).

На рис.2 показаны гистограммы вероятностей распределения направлений векторов градиентов и фазовых скоростей полной горизонтальной (G ) и вертикальной (Z ) компонент геомагнитных вариаций с периодами Т =10-30 с. Гистограммы строились для треугольника станций 2, 4 и 5 (рис.1). Расстояние между этими станциями составляло 5–7 км. Для построения гистограмм использовались данные за период времени 17 часов.

На рис.2 видно, что для векторов градиентов и фазовых скоростей на гистограмме наблюдаются два направления – примерно на юг и примерно на север. Вектора градиентов должны быть направлены к источнику геомагнитных возмущений, а вектора фазовых скоростей – от источника, т.е. со сдвигом азимута направления на 1800, что и наблюдается на рис.2.

2

Рис.2. Гистограммы вероятностей распределения направлений векторов градиентов и фазовых скоростей полной горизонтальной (G) и вер­ти­кальной (Z) компонент геомагнитных вариаций с периодами Т=10-30 с.

На рис.2 показаны гистограммы вероятностей распределения

На рис.3 показана гистограмма вероятности распределения фазовых скоростей Z компоненты геомагнитных вариаций с периодами 7-9 сек. Основной максимум вероятности в районе ~50 км/сек соответствует направлению вектора примерно на юго-запад. Второй по величине пик около 75 км/сек соответствует направлению векторов фазовых скоростей Z компоненты примерно на северо-восток.

Наличие двух максимумов в распределении направлений векторов градиентов и фазовых скоростей означает наличие двух источников геомагнитных возмущений – на юго-западе и северо-востоке от расположения трех магнитных станций, использованных в эксперименте.

3

Рис.3. Гистограмма вероятности распределения фазовых скоростей Z компоненты геомагнитных вариаций с периодами 7-9 сек.

Обсуждение результатов

Для определения кажущегося удельного сопротивления на каждой из магнитных станций методом МТЗ определялось кажущееся удельное сопротивление земной коры и строилось изменение удельного сопротивления с глубиной. Для сравнения с результатами МТЗ по величине фазовой скорости Z компоненты использовался метод ФГЗ (выражения 3, 5 и 6). Использование вертикальной компоненты магнитных вариаций связано с тем, что на земной поверхности горизонтальная компонента удваивается, а Z компонента вариаций возникает благодаря геоэлектрическим неоднородностям земной коры [5].

На рис.4 показаны результаты сравнения МТЗ и ФГЗ методов вдоль профиля S3-S4. На крайних точках профиля (S3,S4) кривые изменения кажущегося удельного сопротивления с глубиной (примерно до 20 км) строились методом МТЗ. Такие же кривые на внутренних точках профиля (11,13,42,43) строились методом ФГЗ. Эти точки привязаны к центрам треугольников, в углах которых расположены магнитовариационные станции. На больших глубинах кривые дополнялись региональной кривой, полученной методом МТЗ на ближайшей обсерватории.

Сопоставление результатов интерпретации обоих методов показывает их хорошее соответствие. Предварительные результаты обработки позволили выявить ряд проводящих слоев в земной коре на глубинах 2-3 и 15-20 км, вероятно связанных с шунгитоносными горизонтами.

4

Рис.4. Сравнение результатов зондирования земной коры методами МТЗ и ФГЗ

Библиография
1.
Копытенко, Ю. А. Магнитная локация источников геомагнитных возмущений/Ю.А. Копытенко, В.С. Исмагилов, Е.А. Копытенко и др.//ДАН, серия "Геофизика", т.371, № 5, с. 685-687, 2000.
2.
Kopytenko Yu.A. Monitoring of the ULF electromagnetic disturbances at the station network before EQ in seismic zones of Izu and Chiba peninsulas// Yu.A. Kopytenko, V.S. Ismaguilov, K. Hattori and at//In: “Seismo Electromagnetics: Lito-sphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling”, Eds. M.Hayakawa and O.A.Molchanov, TERRAPUB, Tokyo, pp.11-18, 2002.
3.
Ismaguilov, V. S. Variations of phase velocity and gradient values of ULF ge-omagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes/ V.S.Ismaguilov, Yu.A. Kopytenko, K. Hattori Hayakawa and at //Natural Hazards and Earth Sys. Sci. v.20, p.1-5, 2002.
4.
Исмагилов, В. С. Использование градиентов и фазовых скоростей УНЧ геомагнитных возмущений для определения местоположения очага будущего сильного землетрясения/В. С. Исмагилов, Ю. А. Копытенко, К. Хаттори и др.// //Геомагнетизм и Аэрономия, т.46, №3, стр.423-430, 2006.
5.
Ковтун, А. А Использование естественного электромагнитного поля при изучении электропроводности Земли/А.А. Ковтун-Изд. Ленгосуниверситета, Ленинград,1980, 195 с.
References (transliterated)
1.
Kopytenko, Yu. A. Magnitnaya lokatsiya istochnikov geomagnitnykh vozmushchenii/Yu.A. Kopytenko, V.S. Ismagilov, E.A. Kopytenko i dr.//DAN, seriya "Geofizika", t.371, № 5, s. 685-687, 2000.
2.
Kopytenko Yu.A. Monitoring of the ULF electromagnetic disturbances at the station network before EQ in seismic zones of Izu and Chiba peninsulas// Yu.A. Kopytenko, V.S. Ismaguilov, K. Hattori and at//In: “Seismo Electromagnetics: Lito-sphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling”, Eds. M.Hayakawa and O.A.Molchanov, TERRAPUB, Tokyo, pp.11-18, 2002.
3.
Ismaguilov, V. S. Variations of phase velocity and gradient values of ULF ge-omagnetic disturbances connected with the Izu strong earthquakes/ V.S.Ismaguilov, Yu.A. Kopytenko, K. Hattori Hayakawa and at //Natural Hazards and Earth Sys. Sci. v.20, p.1-5, 2002.
4.
Ismagilov, V. S. Ispol'zovanie gradientov i fazovykh skorostei UNCh geomagnitnykh vozmushchenii dlya opredeleniya mestopolozheniya ochaga budushchego sil'nogo zemletryaseniya/V. S. Ismagilov, Yu. A. Kopytenko, K. Khattori i dr.// //Geomagnetizm i Aeronomiya, t.46, №3, str.423-430, 2006.
5.
Kovtun, A. A Ispol'zovanie estestvennogo elektromagnitnogo polya pri izuchenii elektroprovodnosti Zemli/A.A. Kovtun-Izd. Lengosuniversiteta, Leningrad,1980, 195 s.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"