Приложение 1 - Кабардино-Балкарский государственный
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 550.38 551.50.53 ГРНТИ 37.15.00 Инв. № 00000213 Регистрационный номер 01201058467 УТВЕРЖДЕНО: Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" От имени Руководителя организации ______________________/Карамурзов Б.С./ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 1 этапа Государственного контракта № П371 от 07 мая 2010 г. Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами. Проект: Исследование магнитного поля и геомагнитных возмущений в районе Эльбрусской вулканической области Руководитель проекта: ______________/Дударов Залим Исламович/ (подпись) М.П. Нальчик 2010 г. 1 СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту П371 от 07 мая 2010 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования \"Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова\" Руководитель темы З.И. Дударов Аспирант кафедры чрезвычайных (Введение, главы ситуаций КБГУ 27.07.10 1- 4, заключение) Исполнители темы: Ведущий инженер УНИИД КБГУ К.Х. Канониди 27.07.10 Нормоконтролер, начальник ОСМО (Главы 1-4) Е.А. Кольченко 27.07.10 2 Реферат Отчет 56 с., 18 рис., 3 табл., 31 источников, приложений 1 МАГНИТНОЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЕ, АНОМАЛИЙ, ВАРИАЦИЯ МАГНИТНАЯ МАГНИТНОГО КАРТА, ПОЛЯ, ЭЛЬБРУССКИЙ ВУЛКАНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР, СЕЙСМИЧЕСКИЕ СОБЫТИЯ Объектом исследования является Эльбрусская вулканическая область и прилегающие территории. Целью работы является проведение исследований магнитного поля и геомагнитных возмущений в районе Эльбрусской вулканической области и на прилегающих территорий Центрального Кавказа для поиска связей и закономерностей, связывающих изменения в магнитном поле и наступление землетрясения или извержение вулкана. В процессе проведения исследований проводились следующие работы: - систематическая глубокая проработка научно-технической литературы по теме исследования; - получение новых данных о тонкой структуре геологической среды в ее отдельных локальных геофизическими образованиях системами, стационарными установленными в и мобильными районе Эльбрусского вулканического центра и на прилегающих территориях; - получение, в общем представлении магнитного поля Центрального Кавказа и Эльбрусской вулканической зоны с использованием портала «Аналитические ГИС», разработанный Институтом проблем передачи информации РАН. Получаемая информация в дальнейшем будет использована для сравнения с нашими экспериментальными данными. Результаты исследований позволят уточнить карту магнитного поля исследуемых районов; - проведение комплексного анализа получаемого в процессе мониторинга геофизической информации с целью поиска информативных среднесрочных предвестников (в первую очередь в электромагнитном УНЧ диапазоне) 3 готовящихся разномасштабных катастрофических событий регионального и планетарного масштаба (землетрясений, лавин и селей, вулканических извержений). - получение магнитограмм сигналов с характерной квазипериодической формой, наблюдаемых перед сильными сейсмическими событиями. В процессе развертывания работ выполнен анализ экспериментальных наблюдений вариаций магнитного поля Земли, зарегистрированных аппаратурными комплексами Северокавказской геофизической обсерватории. Показано, что в структуре регистрируемых электромагнитных сигналов удается выделить характерные ультранизкочастотные волновые формы, предшествующие сильным телесейсмическим событиям; - магнитное профилирование вулкана Эльбрус и прилегающих территорий для выявления активизации вулканической деятельности. Работа в данном направлении продолжается. 4 Содержание Введение ....................................................................................................................... 6 Глава 1 Аналитический обзор .................................................................................... 8 Глава 2 Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований ............................................................................................................. 14 Глава 3 План проведения экспериментальных и теоретических исследований 17 Глава 4 Экспериментальные и теоретические исследования I этапа .................. 18 4.1 Сбор и систематизация данных по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны. Освоение методик прохождения профилей 18 4.2 Анализ магнитных данных Эльбрусского вулканического центра ............... 28 4.3 Составление маршрутов прохождения и проведение полевых работ по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны ...................... 36 4.4 Использование результатов магнитного профилирования для выявления активизации вулканической деятельности ............................................................. 41 Заключение ................................................................................................................ 45 Список используемых источников .......................................................................... 49 Приложение 1 ............................................................................................................ 53 5 Введение Северный Кавказ является регионом, в котором возможна как сейсмическая, так и вулканическая активность. Будучи составной частью протяженной Крым-Кавказ-Копетдагской зоны Иран-Кавказ-Анатолийского сейсмоактивного региона, характеризуется самой высокой сейсмичностью в европейской части страны. Здесь происходили землетрясения с магнитудой порядка М=7.0 при этом сейсмический эффект в эпицентральной области достигает интенсивности I0= 9 баллов и выше. Сложные геодинамические процессы, происходящие на этапе подготовки сейсмического или вулканического события, вызывают изменения различных геофизических параметров. При этом происходят изменения и в магнитном поле. Иногда геофизические изменения сами провоцируют такое событие. Последствия от землетрясений и извержений столь катастрофические, что любая информация, позволяющая глубже понять происходящее, является очень важной. Понимание механизма подготовки сейсмических событий и извержение вулканов позволяет выбрать наиболее характерные предвестниковые признаки, дающие не только возможность прогнозировать события, но и проследить этапы его подготовки. Существуют десятки предвестниковых характеристик, измеряемых специальной аппаратурой, но методические основы комплексирования их продолжают оставаться геопроцессов. Это наименее требует разработанной постановки дальнейших сферой прогноза исследований по комплексированию методов, поиску оценочных критериев, расширению наблюдательных сетей, применению новых аппаратурных средств измерения, созданию комплексных баз данных, разработке и совершенствованию программно-математического обеспечения центров обработки данных. В развитии исследований основную роль должны играть опытно-методические работы. Основой прогноза землетрясений были и остаются достоверные 6 наблюдения предвестников, характер их изменчивости в процессе роста напряжений (долгосрочный прогноз), развитие дилатансии или аномальных изменений объема среды с форшоковыми эффектами (средне - и краткосрочный прогноз) и поведение их в период главных и афтершоковых толчков (оперативный прогноз). Как известно, геомагнитные вариации, наблюдаемые на земной поверхности, отражают процессы, происходящие в ионосфере, магнитосфере и литосфере Земли. Сильное влияние на параметры геомагнитных пульсаций оказывают проводимость земной поверхности. Её изменение перед сейсмическим событием вызывает изменение пульсаций. Проводимые нами исследования магнитного поля в районе Эльбрусской вулканической области и на прилегающих территориях Центрального Кавказа направлены на поиск связей и закономерностей, связывающих изменения в магнитном поле и наступление землетрясения или извержение вулкана. 7 Глава 1 Аналитический обзор Наиболее активна восточная часть Северного Кавказа - территории Дагестана, Чечни, Ингушетии и Северной Осетии. Из крупных сейсмических событий в Дагестане известны землетрясения 1830 г. (М=6.3, I0=8-9 баллов) и 1971 г. (М=6.6, I0=8-9 баллов); на территории Чечни - землетрясение 1976 г. (М=6.2, I0=8-9 баллов). В западной части, вблизи границы России, произошли Тебердинское (1902 г., М=6.4, I0=7-8 баллов) и Чхалтинское (1963 г., М=6.2, I0=9 баллов) землетрясения [1]. Самые крупные из известных землетрясений Кавказа, ощущавшихся на территории России и достигавшие интенсивности 5-6 баллов, произошли в Азербайджане в 1902 г. (Шемаха, М=6.9, I0=8-9 баллов), в Армении в 1988 г. (Спитак, М=7.0, I0=9-10 баллов), в Грузии в 1991 г. (Рача, М=6.9, I0=8-9 баллов) и в 1992 г. (Барисахо, М=6.3, I0=8-9 баллов). На Скифской плите местная сейсмичность связана со Ставропольским поднятием, частично захватывающим Адыгею, Ставропольский и Краснодарский края. Магнитуды известных здесь землетрясений пока не достигали М =6.5. В 1879 г. произошло сильное Нижнекубанское землетрясение (М = 6.0, I0=7-8 баллов). Имеются исторические сведения о катастрофическом разрушившим Понтикапейском ряд городов по землетрясении обе стороны (63 г. до Керченского н. э.), пролива. Многочисленные сильные и ощутимые землетрясения отмечены в районе Анапы, Новороссийска, Сочи и на других участках Черноморского побережья, а также в акватории Черного и Каспийского морей. Северный Кавказ это единственная по-настоящему опасная с сейсмической и вулканической точек зрения область европейской части России. Природные катастрофы на этой густо заселенной и проблемной с национальной и социальной точек зрения территории, чреваты серьезными экологическими, политическими и экономическими последствиями. Поэтому изучение причин возникновения сильных землетрясений и катастрофических извержений 8 вулканов на этой территории является актуальной научной задачей. В последние десятилетия ХХ века Кавказский регион подвергся целой серии сильнейших землетрясений. Наблюдается его явная сейсмическая активизация. Большинство очагов сильных толчков (Параванского 1986 г., Спитакского 1988 г., Рачинского 1991 г., Барисахского 1992 г.) сконцентрировалось в пределах крупнейшей геологической структуры, пересекающей Кавказский регион в меридиональном направлении - в Транскавказском поперечном поднятии [1]. Центры молодого вулканизма Кавказской подвижной области также тяготеют к Транскавказскому поперечному поднятию. Проявлявшие вулканическую активность в позднечетвертичное время вулканы Арарат, Арагац, Казбек, Кабарджин, Эльбрус и др. приурочены к этой поперечной относительно всей складчатой области зоне. В центральном секторе Северного Кавказа неоднократно отмечались извержения вулкана Эльбрус в позднем плейстоцене и голоцене [2]. Определение возраста с помощью разных методов показало, что древние извержения происходили 39±5, 28±3, 23±2, ~21, ~9.2-9.3, ~7.8-8.0, ~7.2, ~6.0, ~4.9, ~4.6 тыс. лет тому назад и в I-II веках н.э. [3]. При этом происходили излияния лавовых потоков, выбросы газовых и палящих туч, возникали пепловые облака и лахаровые сели. В результате проведенных в последние годы геолого-геофизических, геохимических и др. наблюдений под Эльбрусом в центральной части земной коры обнаружена обширная камера, содержащая расплавленный магматический материал [4]. В свете этих данных вулкан нельзя признать полностью потухшим в настоящее время, а лишь можно квалифицировать в качестве временно «уснувшего». То есть имеются основания ожидать в неопределенном будущем новой активизации вулканических процессов в этой области. Результаты оценки сейсмической опасности для Кавказского региона, проведенной на базе кластерного анализа комплекса геолого-геофизических и сейсмологических данных, показали, что в районе Эльбруса имеется потенциальный сейсмический очаг с прогнозируемой максимальной магнитудой ожидаемых землетрясений 7.2 [5]. Этот очаг за инструментальный 9 и исторический периоды наблюдений проявил себя крайне вяло. По сути дела в районе Эльбруса мы наблюдаем обширную зону сейсмического затишья, в пределах которой практически не фиксируются ни слабые, ни умеренные по силе толчки, не говоря уже о сильных сейсмических событиях. В то же время собранные разными авторами данные о палеосейсмодислокациях говорят, о том, что в прошлом здесь, по-видимому, имели место сильнейшие землетрясения [3]. В силу того, что мощные извержения вулканов часто предваряются представляется сейсмические и сопровождаются возможность, толчки в сильными если таковые вулканической землетрясениями возникнут, области Эльбруса [4], использовать в качестве предвестников грядущего катастрофического извержения. Однако прежде требуется исследовать соотношение сейсмических и вулканических проявлений в зоне именно этого вулкана. Известно, что перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород [6]. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры. Измерения электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Электропроводность обеспечивается главным образом присутствием воды. Следовательно, сопротивление меняется, когда изменяется содержание воды. В результате действия магнитного поля наша планета окружена ионосферой - слоем разреженного ионизированного газа на высотах от 70 до 500 км, где текут мощные электрические токи, которые на северном полюсе проявляется в виде полярного сияния. Ионосфера и расположенный ниже слой озона поглощают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца. Анализ 10 экспериментальных данных, осуществленный российским ученым Кусонским О.А., показал, что сейсмические явления однозначно сопровождаются геомагнитными возмущениями. Отсюда можно заключить, что механизм инициирования землетрясений имеет общие черты и природа их одинакова. Приуроченность землетрясений к магнитным бурям или спокойному полю носит закономерный характер и обнаруживает нелинейность процесса формирования предпосылок к возникновению землетрясений в регионе. Исследование состояния ионосферы по данным обсерватории на месте эксперимента показал, что землетрясения совпадают с возмущениями в ионосфере, выражающимися в волнообразном изменении ионизации среднего слоя ионосферы и его высоты в течение многих часов. Во всех случаях региональные землетрясения сопровождает понижение ионизации слоя. Непосредственно во время землетрясений ионизация уменьшалась более чем в три раза. За час-два перед землетрясением слой опускался [7]. Есть исследования, которые показывают наличие корреляционной связи между геомагнитной активностью и землетрясениями [8]. В работе [9] отмечены следующие основополагающие положения, с которыми трудно не согласиться: а) Солнце, межпланетная среда, магнитосфера, ионосфера, атмосфера Земли и сама Земля с происходящими на ней процессами, приводящими к землетрясениям, представляют собой единую физическую систему, то есть сейсмические явления являются частью единого физического процесса в системе «Солнце-Земля»; б) процессы в системе «Солнце-Земля» взаимосвязаны, от состояния каждого из составляющих этой системы зависят физические, биологические процессы; в) сейсмические явления определяются как солнечной активностью, так и активностью земного происхождения. Обнаружена корреляция между сейсмической энергией Земли и потоками нейтронов [10], которая положена в основу разработки нового, комплексного 11 подхода к прогнозированию землетрясений. Он заключается в том, что во всей системе «Солнце-Земля» происходят взаимосвязанные изменения и от состояния каждого из составляющих этой системы: Солнца, межпланетного пространства, магнитосферы, ионосферы Земли и самой Земли, зависят физические процессы на Земле и в космосе. То есть, для изучения физических явлений на Земле необходимо учитывать взаимосвязь геофизических полей с процессами в межпланетном пространстве и на Солнце. В конце 1964 г. Г.В. Мур впервые сообщил о характерных магнитных сигналах (предвестниках), которые появились за 2 ч до начала землетрясения [11, 12]. Изучение предвестников этого класса было продолжено [13,14]. Аномальные электромагнитные сигналы, предваряющие сильные землетрясения, наблюдались в широком диапазоне частот [13–15]. Основные усилия ученых были сосредоточены на изучении аномальных широкополосных электромагнитных возмущений [16] Из рассмотрения практически выпали квазигармонические составляющие. Этим можно объяснить тот факт, что на протяжении последних 50 лет ультранизкочастотные электромагнитные (УНЧЭ) предвестники периодически обсуждаются, однако полного согласия среди геофизиков относительно возможности их надежного выделения и практического использования до сих пор нет. В последние годы систематические наблюдения флуктуаций магнитного поля ультранизкой частоты проводятся на Северокавказской геофизической обсерватории ИФЗ РАН, оборудованной современными геофизическими приборами, включая наклономерные и магнитовариационные станции [17]. Анализ накопленной здесь геофизической информации о наведенных волновых процессах, обусловленных удаленными землетрясениями, позволил подтвердить наличие предвестников электромагнитной природы и выделить наличие аномальных волновых форм УНЧЭ - возмущений перед сильными телесейсмическими событиями за 2–4 ч до их начала [18]. Удовлетворительного 12 теоретического объяснения обнаруженному явлению до сих пор нет [13, 19] поэтому при изучении обнаруженного явления на первое место выходит натурный эксперимент. Многолетний опыт наблюдений на Северокавказской геофизической обсерватории свидетельствует о том, что отдельный класс квазигармонических УНЧЭ - сигналов, поддающийся регистрации современными аппаратурными средствами, предшествует крупным землетрясениям с магнитудой более 5 [20]. Отметим, что уровни зарегистрированных квазигармонических УНЧ возмущений изменяются в пределах от 1 до 5 нТл, что позволяет отчетливо различать их на фоне вариаций электромагнитного поля Земли. 13 Глава 2 Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований В настоящее время территория Северного Кавказа является единственной по-настоящему опасной с сейсмической и вулканической точек зрения областью Европейской части России. Природные катастрофы на этой густо заселенной, проблемной с национальной и социальной точек зрения территории чреваты серьезными экологическими, политическими и экономическими последствиями. Поэтому изучение причин возникновения сильных землетрясений и катастрофических извержений вулканов на этой территории является актуальной научной задачей. Значительная часть территории, особенно горные и предгорные районы расположены в зоне альпийской тектоно-магматической активизации Большого Кавказа и характеризуется мощными геодинамическими процессами, наличием активных вулканов, пульсирующих ледников, высокой сейсмичностью (до 9-10 баллов), резкой расчлененностью рельефа и широчайшим развитием экзогенных геологических процессов (оползни, сели, эрозия, обвалы и пр.). Напряженная обстановка, связанная с геологическим строением территории, осложняется опасными гидрометеорологическими явлениями, вызывающие катастрофические явления, которые поражают практически все территории Северо-Кавказского округа. Центры молодого вулканизма Кавказской подвижной области также тяготеют к Транскавказскому поперечному поднятию. Проявлявшие вулканическую активность в позднечетвертичное время вулканы Арарат, Арагац, Казбек, Кабарджин, Эльбрус и др. приурочены к этой поперечной относительно всей складчатой области зоне. В центральном сегменте Северного Кавказа отмечались неоднократные извержения вулкана Эльбрус в позднем плейстоцене и голоцене [2]. В результате проведенных в последние годы геолого-геофизических, геохимических и других наблюдений под Эльбрусом в центральной части земной коры обнаружена обширная камера, 14 содержащая расплавленный магматический материал [4]. В свете этих данных вулкан нельзя признать полностью потухшим в настоящее время, а лишь можно квалифицировать в качестве временно «уснувшего». То есть имеются основания ожидать в неопределенном будущем новой активизации вулканических процессов в этой области. В прошлом столетии геофизические наблюдения позволили установить, что за несколько часов до землетрясения наблюдаются возмущения электрического и магнитного полей, превышающее в несколько раз фоновое, над эпицентральными районами. Однако полного понимания взаимосвязи двух этих явлений нет до сих пор. В настоящее время проблема изучения оперативных электромагнитных предвестников находится на первой стадии научно-исследовательской работы, характеризующейся набором статистического материала и выявлением основных закономерностей и региональных особенностей. Эта стадия предполагает постановку режимных наблюдений на оптимальной сети станций, оснащенной стандартизованной экспериментальных аппаратурой, исследований внедрение вычислительной техники в практику и методов оперативной обработки информации в реальном масштабе времени получаемых данных. Как известно, геомагнитные вариации, наблюдаемые на земной поверхности, отражают процессы, происходящие в ионосфере, магнитосфере и литосфере Земли. Сильное влияние на параметры геомагнитных пульсаций оказывают проводимость земной поверхности. Её изменение перед сейсмическим событием вызывает изменение пульсаций. Исследование параметров геомагнитных пульсаций для определения источника возмущения проводят с помощью разнесённых на расстояние 50-150 км магнитовариационные станции, В настоящее время на Северном Кавказе расположено несколько магнитовариационных станций. Это позволяет проводить исследование 15 поведения амплитуд и градиентов между станциями и сопоставлять это с сейсмическими событиями. Наряду с этим, прохождение магнитных профилей и построение детальных магнитных карт полного вектора магнитного поля некоторых районов Северного Кавказа, позволит лучше понять структуру подстилающего полупространства, выявить различные аномалии позволяющие изучать процессы активизации вулканической деятельности. Вариационные последующий их наблюдения анализ в можно нескольких использовать разнесённых для точках и прогнозирования катастрофических сейсмических событий. Вышеперечисленные обстоятельства обуславливают актуальность предлагаемых исследований. 16 Глава 3 План проведения экспериментальных и теоретических исследований Работы, проведенные на первом этапе исследования по проблеме: «Исследование магнитного поля и геомагнитных возмущений в районе Эльбрусской вулканической области»: 1. Анализ научно-технической литературы по теме исследования; 2. Анализ магнитных данных Эльбрусского вулканического центра; 3. Сбор и систематизация данных по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны; 4. Освоение методик прохождения профилей; 5. Составление маршрутов прохождения и проведение полевых работ по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны; 6. Использование результатов магнитного профилирования для выявления активизации вулканической деятельности; Работы, планируемые на втором этапе исследований по проблеме: «Исследование магнитного поля и геомагнитных возмущений в районе Эльбрусской вулканической области»: 1. Продолжение научно-исследовательских экспедиционных работ по прохождению профилей. 2. Разработка и адаптация программного обеспечения в целях обработки материалов магнитных измерений в Эльбрусской вулканической зоне. 3. Камеральная обработка результатов полевых наблюдений. 4. Выявление магнитных аномальных зон на территории КабардиноБалкарской республики. 5. Создание карты магнитного поля Эльбрусского вулканического центра. 6. Создание справочно-информационной базы, обеспечивающей прямой, оперативный, открытый доступ к научным данным по изучаемой теме. 17 Глава 4 Экспериментальные и теоретические исследования I этапа 4.1 Сбор и систематизация данных по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны. Освоение методик прохождения профилей Для первого приближения магнитного поля в районе Эльбрусского вулканического центра можно использовать портал «Аналитические ГИС» [21], который разработан Институтом проблем передачи информации РАН (ИППИ РАН) в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка фундаментальных основ создания научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе технологий GRID». Направление: «Электронная Земля: научные информационные ресурсы и информационно-коммуникационные технологии». Основной целью программы «Электронная Земля» является создание распределенной информационноаналитической среды, дающей возможность пользователю решать научные проблемы в науках о Земле на новом качественном уровне. Цель портала «Аналитические ГИС» состоит в обеспечении доступа к Online инструментальным комплексного средствам геоинформационого и информационным анализа ресурсам для пространственно-временных процессов и явлений. Задачами портала являются: 1. Предоставление оn-line инструментальных средств и ГИС-проектов для комплексного исследования природных и социально-экономических данных. 2. Предоставление информации о методах и о технологии сетевого комплексного геоинформационного анализа и прогноза пространственновременных процессов и явлений. 3. Предоставление информации о некоторых свободно-распространяемых WEB-map технологиях. 18 4. Предоставление информации о развитии сетевых ГИС технологий в России и за рубежом. 5. Предоставление информации о программе «Электронная Земля». На рисунке 1 показана модель рельефа, а на рисунке 2 магнитное поле Северного и Центрального Кавказа и выделены рамкой интересующие нас зоны. Рисунок 1 - Модель рельефа Северного и Центрального Кавказа. Более подробно выделенные зоны показаны на рисунках 3 и 4, где изображены модель рельефа и магнитного поля соответственно. Эти построения в дальнейшем будут использоваться для сравнения с нашими экспериментальными данными. Наши измерения позволят уточнить карту магнитного поля этого района. На рисунке 5 приведена общая картина, дающая представление о размерах магматического очага и магматической камеры по данным магнитотеллурического зондирования, выполненного под руководством В.П. Арбузкина. Профиль пройден с юга на север через вулканическую постройку вулкана Эльбрус. 19 Рисунок 2 - Магнитное поле Северного и Центрального Кавказа. Рисунок 3 - Модель рельефа в районе Эльбрусского вулканического центра. Выделение неоднородностей литосферы, потенциально связанных с магматическим очагом вулкана Эльбрус, осуществлено на основе анализа вертикальных разрезов поля тектонической раздробленности (рисунок 6) [23]. 20 Рисунок 4 - Магнитное поле в районе Эльбрусского вулканического центра. Рисунок 5 - Общая картина, дающая представление о размерах магматического очага и магматической камеры. Профиль имеет общекавказское простирание и проходит Тырныаузской шовной зоны непосредственно через вулкан Эльбрус. 21 вдоль По оси ординат глубина в км, а по оси абсцисс расстояние в км [22]. Это будет учитываться при прохождении магнитного профиля в районе Эльбруса. Как видно из рисунка 6, в районе вулканической структуры Эльбруса (пикеты 110-120) пониженная аномалия поля тектонической раздробленности сопровождается положительной аномалией магнитного поля (более 4 милллиэрстед – на западной периферии Эльбрусской структуры) и большой отрицательной гравитационной аномалией (более 25 мГал). Аномалия поля тектонической раздробленности расположенная в 20 км западнее Эльбрусской вулканической постройки (пикеты 90-100), сопровождается слабой положительной аномалией магнитного поля (менее 0,5 миллиэрстед) и не сопровождается отрицательной гравитационной аномалией. Это не позволяет отнести данную аномальную область к потенциальной магматической камере. Аномалия поля тектонической раздробленности расположенная в 40 км восточнее Эльбрусской вулканической постройки (пикеты 145-160), сопровождается закономерной аномалией магнитного поля (крутопадающая вертикальная жила базальтовых и андезитобазальтовых расплавов) и слабовыраженной отрицательной гравитационной аномалией. Это позволяет отнести данную аномальную область к потенциальной магматической камере, характеризующейся меньшими, по сравнению с Эльбрусской, размерами и несколько пониженной кислотностью по составу. Аномалия поля тектонической раздробленности расположенная в 70 км восточнее Эльбрусской сопровождается слабой вулканической положительной постройки аномалией (пикеты 175-185), магнитного поля (0,5 миллиэрстед). Таким образом, анализ поля тектонической раздробленности в комплексе с гравитационным и магнитным полям позволяет наметить в верхней части коры над выделенными материнским магматическим очагом наличие еще одного объекта (пикеты 175-180), аналогичного вулканической камере Эльбруса. 22 В числе уникальных научных объектов, расположенных в районе Эльбрусского вулканического центра, в первую очередь следует назвать Баксанскую нейтринную обсерваторию Института ядерных исследований Российской академии наук (БНО ИЯИ РАН). Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН включает подземные физические экспериментальные комплексы мирового значения. Территориально БНО ИЯИ РАН находится в Баксанском ущелье (п. Нейтрино) в 30 км к юго-западу от г. Тырныауз (рисунок 7). Ее основные лаборатории расположены в специальных выработках монолитного горного массива в непосредственной близости от вулкана Эльбрус [17]. Две параллельные штольни (главная и вспомогательная) Баксанской нейтринной обсерватории пройдены в горном массиве горы Андырчи со стороны Баксанского ущелья на глубину более 4300 метров. Координаты обсерватории: N=43.16338 и E=42.40878. Высота места 1740 м. Расстояние от вершины Эльбруса 21,9 км. Азимут штольни – 150° 37′. Удобное расположение и современное оснащение БНО, в которой работают многие выдающиеся российские ученые, предоставляют широкие возможности для проведения масштабных научных экспериментов с привлечением специалистов и из других стран. В процессе создания и развития физических экспериментальных установок в составе БНО РАН возник комплекс уникальных научных сооружений, отвечающий всем современным требованиям, как с стороны физиков экспериментаторов, так и со стороны геофизиков. Второй информационно-измерительной системой, которая была изготовлена и установлена в лаборатории № 1 и двух других лабораториях Баксанской геофизической обсерватории является трёхкомпонентная магнитовариационная станция (МВС) [25]. Трехкомпонентная цифровая магнитовариационная станция относится к прецизионным обсерваторским приборам стационарного типа. МВС выполнена на основе кварцевых магнитных датчиков системы В.Н. Боброва [26] и предназначена для непрерывной регистрации вариаций трёх составляющих (H, D и Z) вектора 23 магнитной индукции. Регистрация каждой составляющей осуществляется отдельным датчиком. Рисунок 6 - Вертикальный разрез поля тектонической раздробленности (внизу) и графики магнитного и гравитационного полей (сверху), построенные через вершину вулкана Эльбрус и ориентированные вдоль простирания Кавказа. 1 – изолинии поля тектонической раздробленности; 2 – близгоризонтальные границы раздела литосферы, выделенные по особенностям поля тектонической раздробленности: I – подошва верхней части коры (отделяющая верхний 5 километровый слой, характеризующихся максимальными горизонтальными градиентами рассматриваемого поля и минимальными (до 2-5 км) размерами выделяемых объектов), II – подошва слоя земной коры с глубинами порядка 10 км (где характерные размеры выделяемых объектов составляют порядка 15-20 км), III – подошва слоя земной коры с глубинами порядка 20 км и размерам объектов – 25-30 км (отождествляется с подошвой коры гранитоидного типа). IV – подошва слоя земной коры с глубинами порядка 40 км и размерами объектов в 35-40 км, V – подошва слоя земной коры с глубинами порядка 50 км (возможно и глубже) и размерами выделяемых объектов более 60 км (отождествляется с положением границы Мохо); 3,4 – области расположения аномально пониженных значений поля тектонической раздробленности: 3 – высоко аномальные. 4 – средне аномальные. Над вертикальным разрезом приведены: конфигурация рельефа в районе вулкана Эльбрус (черным цветом); график магнитного поля (синим) в миллиэрстедах [24]; кривая изменения силы тяжести (красным) в миллигалах – редукция Буге (=2,67 г/см3), поправка за рельеф = 200 км: а – локальная аномалия, отвечающая вулканической камере Эльбруса (фоном является кривая б), в – аномалия отвечающая положению материнского магматического очага. 24 Рисунок 7 - Карта расположения геофизических обсерваторий 1 – Нейтринная обсерватория; 2 - Верхнее - Кубанский полигон; 3 – вулкан Эльбрус. Конструкции датчиков различаются в зависимости от измеряемой составляющей, но принцип работы их одинаков [27]. На рисунке 8 приведена упрощенная схема измерения D составляющей. На кварцевой рамке (1) растянута кварцевая нить (2), на которой закреплено подвижное зеркало (3). К зеркалу прикреплён измерительный магнит (4). Луч светодиода (5) отражается от подвижного зеркала (3) и попадает на дифференциальный фотоэлемент(6). В исходном состоянии, отраженный от зеркала луч светодиода (5) засвечивает симметрично обе пластины фотоэлементов (6) и, следовательно, величина входного сигнала на входе усилителя (А) равна нулю. В этом случае не протекает ток через обмотку 25 обратной связи (L1). В результате изменения магнитного поля на измерительный магнит (4) действует сила, стремящаяся повернуть его по полю. Поворот измерительного магнита (4) и прикрепленного к нему зеркала (3) приводит к нарушению симметричности засветки фотоэлементов (6). Это изменяет величину входного сигнала усилителя (А) в результате через обмотку обратной связи (L1) начинает протекать ток. Расположение обмотки (L1) и направление протекание тока таковы, что происходит компенсация изменения магнитного поля в месте расположения измерительного магнита (4). Величина выходного напряжения (Vout) пропорциональна величине D составляющей магнитного поля. Сопротивление резистора (R) определяет глубину обратной связи и тем самым задает чувствительность прибора. Рисунок 8 - Схема кварцевого магнитометра для измерения склонения геомагнитного поля:1 - кварцевая рамка; 2 - кварцевая нить; 3 - подвижное зеркало; 4 - измерительный магнит;5 -светодиод;6 - дифференциальный фотоэлемент; 7 - магниты изменения чувствительности;8 - стабилизатор тока калибровки; 9 - стабилизатор тока светодиода; L1 - обмотка обратной связи; L2 - обмотка калибровки; A - операционный усилитель; R - резистор обратной связи; C - конденсатор обратной связи; Vout - напряжение пропорциональное изменению D составляющей магнитного поля. Конденсатор (С) предотвращает самовозбуждение системы. Светодиод (5) питается от стабилизированного источника тока (9). Соосно с обмоткой 26 обратной связи (L1) намотана обмотка калибровки (L2), ток в которой протекает только в моменты калибровки и задаётся стабилизатором тока калибровки (8). Параллельно измерительному магниту (4) расположены магниты изменения чувствительности (7). Приближая, удаляя и изменяя ориентацию их относительно измерительного магнита (4) можно в процессе создания прибора изменять его чувствительность. Выходной сигнал (Vout) через активный фильтр, подавляющий частоты более 1 герца поступает на систему измерения. Рисунок 9 - Трехкомпонентная кварцевая магнитовариационная станция в сборе, установленная на постаменте. Таблица 1 - Технические характеристики трехкомпонентной магнитовариационной станции. № п/п 1 2 3 4 5 6 Характеристика (параметр) Значение Относительная нестабильность показаний во времени 1-2 nT/year Разрешение <0.01 nT Частотный диапазон 0…1 Hz Мощность потребления < 0,1 W Динамический диапазон +-2000 nT Напряжение питания источника постоянного тока 5..15 V Станция ориентируется по магнитному меридиану таким образом, чтобы окно (3) кварцевого датчика, измеряющего геомагнитное склонение, было 27 направлено на запад. Точную установку производят при спокойном поле за счет поворота станции сводящего в ноль показания датчика склонения геомагнитного поля. В 2009 году дополнительно развёрнута геофизическая обсерватория на базе Верхнее - Кубанского полигона (рисунок 7), который располагается недалеко от поселка Эльбрусский. Её географические координаты: N=43.033 и E=42.008. Расстояние между обсерваториями порядка пятидесяти километров и расположены они с противоположных сторон Эльбруса. Это позволяет отслеживать геодинамические процессы, которые могут происходить в магматической камере Эльбруса. 4.2 Анализ магнитных данных Эльбрусского вулканического центра Различают интерпретацию качественную, количественную магниторазведочных данных и [28]. геологическую Под качественной интерпретацией понимают анализ магнитометрических данных с целью их описания, классификации аномалий, районирования и приблизительной оценки аномалий. Количественная интерпретация - это совокупность приемов определения формы, глубины залегания и магнитных свойств магнитовозмущающих тел. Геологическая интерпретация имеет целью связать магнитные аномалии геологическим и строением выделенные района. магнитовозмущающие Главными методами тела с качественной интерпретации являются: визуальный анализ; пересчеты полей с помощью ЭВМ или вручную на другой уровень наблюдений (вверх или вниз). Качественную интерпретацию начинают с оценки достоверности выделения магнитных аномалий на картах и графиках. Обычно выделяют, как менее вероятные, одноточечные и однопрофильные аномалии. Малодостоверными являются также аномалии, оконтуренные одной изолинией, а также малой интенсивности, не коррелирующиеся между профилями. На этапе качественной интерпретации рекомендуется строить «розы» простирания 28 изолиний, оценивать контрастность и дифференцированность поля. Следует также проверить правильность выполнения магнитной съемки. В частности, выдерживалось ли требование перпендикулярности профилей господствующему простиранию геологических объектов, расположенных на изучаемой территории. Если профили расположены под острым углом к простиранию, возможно искажение плана изодинам. Особенно это будет иметь значение при наличии в районе работ маломощных вытянутых тел. Графики ∆Z и ∆T при этом будут растянуты по оси. Для построения карты изодинам необходим учет сведений о простирании геологических объектов, форме и условиях их залегания, геометрии и расположении в пространстве сети наблюдений и др. Одним из результатов качественной интерпретации магнитометрических материалов является построение интерпретационных профилей. Если оказывается, что имеющиеся профили не могут использоваться в качестве интерпретационных (неудачное направление, недостаточные густота сети или точность съемки), выполняются наблюдения по специально разбитым профилям. При качественной интерпретации много внимания доложено уделяться изучению формы аномалий и характеру их сочетаний. По характеру распределения магнитные поля могут быть мозаичные, линейно-вытянутые или смешанные. Первые характерны для платформенных, вторые - для складчатых областей, третьи - для районов со сложной историей развития и строения. Природу магнитных аномалий определяют методом аналогии, в частности, путем сравнивания карт изодинам с геологической картой района. При этом изучают форму, размеры, простирание, интенсивность и знак аномалий, так как эти характеристики отражают форму, магнитные свойства и положение в пространстве геологических тел. Учитывая, что любое намагниченное тело имеет два полюса, в принципе не существует только положительных или только отрицательных магнитных аномалий. Каждая из них включает как Положительную, так и отрицательную 29 компоненты. Однако в ряде случаев интенсивность соответствующей компоненты может быть по величине соизмерима с ошибкой съемки и поэтому не регистрируется. Как правило, среди локальных аномалий ∆Z, ∆T, зарегистрированных на территории СССР, преобладают положительные. Однако в целом ряде случаев встречены также интенсивные отрицательные магнитные аномалии. Анализ многих из них показал, что они вызываются обратнонамагниченными остаточная геологическими намагниченность этих объектами, образований когда естественная по направлению противоположна нормальному магнитному полю Земли. Отрицательная аномалия может также вызываться тем, что обратная (или отрицательная) остаточная намагниченность аномалиеобразующего объекта существенно превышает по модулю индуцированную намагниченность. Следовательно, знак и интенсивность магнитных аномалий определяется не только величиной магнитных свойств их источников. Более устойчивым признаком является форма магнитных аномалий. По форме магнитные аномалии ∆Z подразделяются на изометричные и вытянутые. Изометричные аномалии образуются над столбообразными, шаровидными и другими телами, чья проекция на земную поверхность имеет в первом приближении форму круга. Если аномалии без окаймляющего отрицательного поля, то они вызваны телами, нижняя кромка которых в 5-6 раз и более превышает глубину до верхней кромки. Если же они окружены отрицательным полем, то глубина распространения тела, как правило, невелика. Такие аномалии характерны для сферических (гнездообразных) залежей и штокообразных, ограниченных на глубину тел. В группу вытянутых относят аномалии ∆Z, длина которых превышает их ширину. Они могут быть как с минимумами, так и без них, симметричными или несимметричными. В первом случае тела имеют вертикальное падение, во втором - наклонное. Причем менее крутая ветвь кривой соответствует падению тела (при условии вертикального намагничивания). 30 Магнитовозмущающими объектами для аномалий вытянутой формы являются пласты различного распространения на глубину, горизонтальные цилиндры. Геологически это жилы, контакты, сбросы и др. Вытянутые аномалии с двусторонними минимумами Za создаются горизонтальными, с различной формой поперечного сечения (пастообразные, линзообразные, жилообразные) телами, ограниченного распространения на глубину. Симметричные относительно вертикальной оси, вертикально намагниченные тела (пласт, круговой цилиндр) создают симметричные графики Za. Соответственно асимметричные аномалии следует связывать с наклонными пластами, а также телами, поперечное сечение которых имеет неправильную форму. Следует помнить также, что косо намагниченные объекты нередко создают асимметричные аномалии. А поскольку наклонение для территории России изменяется от 86° на севере до 53° на юге, намагничивающее поле, строго говоря, никогда не является вертикальным. Особенно сильно это сказывается для горных пород, обладающих большими значениями магнитной восприимчивости. Для вытянутых тел, имеющих меридиональное простирание, в первом приближении можно сказать, что Ti всегда вертикален, так как его проекция на плоскость поперечного сечения вертикальна. Тела же с широтным простиранием характеризуются наибольшим отклонением Ti от T0, следовательно, для таких объектов наиболее вероятно косое намагничение. Неглубокозалегающие тела имеют более четкие аномалии с большими градиентами по горизонтали и вертикали. Глубокозалегающие объекты создают на поверхности Земли широкие плавные аномалии с малыми градиентами, причем ширина аномалии с увеличением глубины залегания увеличивается пропорционально глубине до центра тела. На практике редко приходится иметь дело с так называемыми «чистыми» аномалиями. В большинстве случаев мы получаем суммарный эффект от взаимодействующих тел на глубине. Разделение их влияния в известной степени может быть осуществлено путем пересчета аномалии (трансформации) 31 вверх или вниз различными методами (дифференцирование данных, осреднение и пр.). При пересчете вниз мы изучаем поле в приближении к источнику, акцентируя внимание на локальных аномалиях. При пересчете вверх производится сглаживание, локальные аномалии нивелируются, и акцентируется внимание на региональных аномалиях. Методика количественной интерпретации включает решение прямой и обратной задач. Под прямой задачей магниторазведки понимается нахождение аномалии от выбранного (заданного) тела с определенными формой, размерами, положением в пространстве, магнитными свойствами. Прямая задача решается однозначно. Обратная задача состоит в определении размеров, формы, положения в пространстве магнитных тел по экспериментально полученным данным изучения магнитного поля. Решения этой задачи всегда неоднозначны. Прямую задачу в магниторазведке решают либо аналитически, либо графически. Аналитический способ применяют, если заданный источник поля может быть заменен (уподоблен) геометрически правильным телом, ограниченным плоскими границами (пластина, куб, параллелепипед и т. д.) или одной из поверхностей второго порядка (цилиндр, шар и т. д.). Графический способ применяют в двух случаях: когда аналитический расчет по уравнениям Za и Hа громоздок; когда заданное тело имеет неправильную форму и не может быть аппроксимировано простейшим телом. В этом случае расчет ведется с помощью номограмм (палетки Микова, Юнькова, Тяпкина, Непомнящих и др.). Решение обратной задачи может быть осуществлено разными способами: способом характерных точек, способом касательных, способом сравнения полевых кривых с теоретическими, способом подбора и др. В способе характерных точек используются связи координат некоторых характерных точек кривой (точка перехода через О, абсцисса полумаксимума 32 кривой, точки max или min кривой) с параметрами тела - глубиной его залегания, размерами и т. д. Способ сравнения с палеточными кривыми используется для интерпретации аномалий от тел правильной формы. Способ подбора сводится к подбору такого тела, рассчитанная аномалия от которого совпала бы с наблюденной кривой. В связи с использованием ЭВМ способ получил широкое применение, так как облегчает подбор модели. Эффективность способа возрастает, если намагниченность тела заранее известна. Весь ход количественной интерпретации сводится к нескольким операциям. По данным качественной интерпретации производится предварительный выбор модели: а) выбирается способ интерпретации; б) вычисляются параметры магнитовозмущающих тел; в) уточняется выбранная модель; г) проверяется правильность решения; д) осуществляется решение прямой задачи по полученной модели и сопоставляются экспериментальная и вычисленная кривые. Если ожидаемого совпадения не получилось, необходимо уточнить модель. Современный уровень интерпретации магниторазведочных данных предполагает использование целых автоматизированных систем. Они позволяют выполнять обработку, контроль входной информации, ввод данных на ЭВМ и их обработку, а также накопление данных во внешней памяти ЭВМ и выдачу результатов в виде таблиц, графиков, карт. Быстрый прогресс в области разработки магниторазведочной аппаратуры, обработки и использования получаемых результатов увеличивает возможности метода при решении разнообразных геологических задач. Магниторазведочные работы в настоящее время успешно используются во всех видах геологических исследований - от региональных работ и мелкомасштабного геологического картирования разведки месторождений. 33 до эксплуатационной На стадии региональных съемок магнитные карты широко используются для тектоничного районирования, мелко- и среднемасштабного геологического картирования. При геологическом картировании платформенных областей магниторазведка позволяет изучать кристаллический фундамент. По этим данным вычисляют глубину его залегания, выявляют основные черты рельефа поверхности погребенного фундамента, выделяют глубинные разломы. Магниторазведка позволяет выявлять интрузивные и эффузивные образования осадочного чехла платформы. В складчатых областях с помощью магниторазведки оконтуривают и прослеживают магнитные породы, ее используют для изучения факторов, контролирующих размещение полезных ископаемых. На этапе среднемасштабных магнитных съемок выявляются крупные железорудные месторождения. При поисках нефти и газа кроме решения геологосъемочных задач магниторазведка в некоторых случаях позволяет выделить зоны дислокации платформенного чехла, обнаруживать соляные купола. В ряде случаев удается обнаружить погребенные грязевые вулканы. Отмечаются случаи приуроченности крупных месторождений нефти к отрицательной части локальных магнитных аномалий в платформенных областях. В ряде случаев, наоборот, удается выявить нефтегазоносные структуры, обогащенные магнетитом. При крупномасштабных геологических работах в рудных районах магнитная съемка позволяет картировать основные и ультраосновные породы, а также образования, обогащенные магнитными минералами, выявлять и оконтуривать зоны околорудных изменений пород. В ряде случаев удается расчленить и прокоррелировать осадочные породы. Для некоторых рудных и нерудных месторождений (никеля, хрома, титана, бокситов и др.), цветных, редких и благородных металлов (свинец, олово, россыпное золото, платина и др.) магниторазведка может в благоприятных случаях также рассматриваться в качестве поискового метода. 34 Этим перечнем не ограничивается область использования магнитного метода разведки. геологическом Большие возможности картировании, решении имеет задач магниторазведка инженерной при геологии, гидрогеологии, археологии и геофизики. Большой объём полезной информации получается при анализе вариаций магнитного поля. На рисунке 10 показана магнитограмма сигналов с характерной квазипериодической формой, которые обычно наблюдаются перед сильными сейсмическими событиями. Через 8 часов произошло землетрясение в районе острова Ява, Индонезия. Параметры землетрясения: date= 02-Сен-2009 07:55:00.0 lat= -7.76 lon= 107.53 depth= 60km ms: 7/27 mb: 7.1/33 Рисунок 10 - Магнитные сигналы перед землетрясением. Интересные данные получены во время землетрясения на Западном Кавказе, которое произошло в 150 км от на Верхнее - Кубанского полигона. 35 Параметры землетрясения: date= 07-Сен-2009 22:41:34.9 lat= 42.63 lon= 43.33 depth= 10km ms: 6.1/25 mb: 6.1/24 Вариации магнитного поля Земли, данные наклономерной станции, дополненные показаниями сейсмоакустической станции во время этого события приведены на рисунке 11. Рисунок 11 - Магнитограммы, показания наклономерной станции и сейсмоакустической станции во время сейсмического события, произошедшего на Западном Кавказе и зарегистрированного на Верхнее - Кубанском полигоне. 4.3 Составление маршрутов прохождения и проведение полевых работ по магнитному профилированию Эльбрусской вулканической зоны С целью выявления аномального поведения магнитного поля Земли в районе вулканического центра Эльбрус были пройдены магнитные профили от г. Нальчика вдоль Баксанского ущелья до поляны Азау. [28] Для проведения измерения магнитного поля в этом случае использовался процессорный оверхаузеровский датчик 36 POS-1 [29], который является бесклавиатурным, управляемым по порту, прецизионным измерительным прибором циклического типа, основанным на принципе динамической поляризации ядер (эффект Оверхаузера). Датчик предназначен для измерения модуля индукции магнитного поля Земли в диапазоне 20000-100000 нТл. Основой датчика служит оверхаузеровский ядерно-прецессионный преобразователь на стабильном рабочем веществе (время жизни порядка 5-10 лет). По сравнению преобразователя с протонными обладает меньшим преобразователями данный энергопотреблением, тип большей чувствительностью и градиентоустойчивостью. Использование в составе датчика микропроцессора позволяет управлять датчиком по последовательному порту с внешнего блока управления, в качестве которого может выступать специализированный регистратор или обыкновенный компьютер и выводить результаты измерений и дополнительную информацию в цифровом виде через порт автоматически или по запросу. Высокие технические и эксплуатационные параметры датчика в комплекте с различными внешними блоками управления обеспечивают широкие возможности его применения, например, в качестве: полевого магнитометра переносного типа для геологоразведочных работ; вариационной станции; обсерваторского магнитометра; эталонного магнитометра мер слабого магнитного поля; магнитного канала многофункциональных геофизических систем. Метрологические и технические характеристики POS-1 приведены в таблицах 2 и 3. Датчик не имеет клавиатуры и дисплея. Управление и обмен данными с датчиком осуществляется только по последовательному порту (RS232). Поэтому, для управления датчика использовался ноутбук с автономным питанием. При этом питание ноутбука и POS-1 осуществлялось от одного источника питания. Это позволило проводить измерения без организации заземления в точке измерения. Перед измерением проводилось определение координат по приемнику. 37 GPS Таблица 2 - Метрологические характеристики. № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Характеристика (параметр) Диапазон измерений модуля магнитной индукции, нТл Коэффициент преобразования датчика Основная систематическая погрешность измерения, не более, нТл Модуль среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности измерения при длительности измерения не менее 3-х секунд, не более, нТл Модуль среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности измерения при длительности измерения не менее 3-х секунд и градиенте модуля поля 10000 нТл/м, не более, нТл Дополнительная погрешность измерения в интервале температур от 10С до +50С, не более, нТл Дополнительная погрешность измерения при отклонении первичного преобразователя на угол 45 от оптимальной ориентации, не более, нТл Значение 20000 100000 1,01012 0,5 1 0,1 50 1 1 Таблица 3 - Технические характеристики. № п/п 1 Характеристика (параметр) Значение 10 15 3 Напряжение питания, В Потребляемая мощность, не более, Вт - средняя за цикл измерения - в режиме ожидания Время жизни рабочего вещества датчика, лет 4 Градиентоустойчивость, не менее, нТл/м 20000 5 Нестабильность за 8 часов работы, не более, нТл Время установления рабочего режима, не более, с Длительность однократного измерения, не более, с 2 6 7 8 9 Цикличность автоматического запуска измерений, с Начальная амплитуда сигнала прецессии аналогового выхода, В 38 3 0,05 5 10 0,3 10 3 1, 2, 3, 4, … 0,5 2 10 11 12 Угол оптимальной ориентации оси цилиндра первичного 1 преобразователя относительно направления магнитного поля, град Габариты (без учёта разъёмов), не более, мм - первичный преобразователь; - блок электроники Масса, не более, кг 90 10 цилиндр 70120 1609060 2 Ноутбук располагался в автомобиле и соединялся с датчиком кабелем длиной 30. Во время измерения производилась остановка автомобиля, датчик относили как можно дальше от дороги. Если не удавалось найти хорошую точку у дороги, то переносили компьютер в подходящее для измерения место и там проводили замер. Фотография аппаратуры вынесенной на крутой берег горной реки приведена на рисунке 12. Начальной точкой прохождения профиля был двор КБГУ перед лабораторией №2. Далее через г. Чегем, по Баксанскому ущелью, через г.Тырныауз, пос. Эльбрус, пос. Терскол до поляны Азау. Карта маршрута прохождения профиля представлена на рисунке 13. На рисунке 14 приведён график движения по профилю в абсолютных координатах для двух прохождений профиля в различное время. Линейная развертка профиля изменения высоты вдоль маршрута приведена на рисунке 15. Рисунок 12 - Фотография измерительной аппаратуры вынесенной на крутой берег горной реки Баксан. 39 Рисунок 13 - Карта маршрута прохождения профиля. Рисунок 14 - График движения по профилю в абсолютных координатах. 40 Рисунок 15 - Профиль высоты над уровнем моря. 4.4 Использование результатов магнитного профилирования для выявления активизации вулканической деятельности График изменения магнитного поля вдоль профиля приведен на рисунках 16 и 17. Здесь кроме профилей за 2006 и 2007 годы приведены графики модуля вектора напряженности геомагнитного поля, рассчитанные по модели IGRF. Модель геомагнитного поля IGRF/ DGRF позволяет вычислить магнитное поле Земли в определенных координатах, с учетом источников поля, которые находятся внутри Земли, без учета внешних токов. Модель основана на экспериментальных наблюдениях, на геомагнитных обсерваториях, кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли. Модель реализована в виде набора модулей на фортране. Исходные коды программы bilcal, с помощью которой происходит расчет, можно скачать с сервера nssdcftp.gsfc.nasa.gov. [30]. Отличия профиля в начале маршрута от расчетного объясняется техногенными причинами. 41 Рисунок 16 - Профиль прохождения магнитного поля 2006 год. T IGFR – расчет профиля по модели IGRF, Т 2006 – измерение профиля в 2006 году. Рисунок 17 - Профиль прохождения магнитного поля 2007 год. T IGFR – расчет профиля по модели IGRF, Т2007 – измерение профиля в 2006 году. В районе КБГУ, где проводились измерения, пролегает много коммуникаций, которые существенно искажают магнитное поле. Постепенное уменьшение магнитного поля по мере приближения к 42 Эльбрусу и резкое падение поля в районе поляны Азау может быть вызвано наличием магматической камеры в этом районе. Намагниченность у магмы отсутствует, а проводимость магмы в магматическом очаге намного больше проводимости горной породы. Все это приводит к изменению распределения земных токов в районе Эльбрусского вулканического центра, что в свою очередь вызывает изменению распределения магнитного поля. При построении расчетного профиля вклад магматической камеры не учитывался. Рисунок 18 - Профиль прохождения магнитного поля осредненный за 2006 и 2007 гг. T IGFR - расчет профиля по модели IGRF, Т - осредненная величина поля. Отличия модели от экспериментальных значений начинается после Тырныауза (рисунок 18 осредненные данные за 2006 2007 гг.). По мере приближения к Эльбрусу магнитное поле падает. Резкое падение начинается после поселка Терскол и продолжается до поляны Азау, которая являлась последней точкой маршрута. Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной 43 коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром тока при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его. В данном случае наоборот. Присутствие магматической камеры означает наличие большой массы лишенной магнитных свойств, что приводит к уменьшению магнитного поля. Это и наблюдается по мере приближения к центру вулкана Эльбрус. Необходимо отметить, что границы начала резкого спада магнитного поля в 2006 году и в 2007 году совпадают. Отсюда можно сделать вывод, что резкого изменения в размерах магматической камеры в этот период вдоль Баксанского ущелья не наблюдалось. Регулярное проведение таких измерений может служить для выявления начала активности вулканического центра Эльбрус. На следующем этапе данного проекта планируется расширение профиля прохождения магнитного поля и сравнение, получаемых данных на разных этапах исследований. 44 Заключение Как известно, геофизической интерпретацией магнитного поля является процесс выявления источников этого поля, т.е. нахождения распределения объектов, определяющих данное поле. Геологическая интерпретация заключается в объяснении найденного распределения масс с точки зрения особенностей геологического строения изучаемого участка и представляет наиболее трудный, ответственный и важный этап любых геофизических исследований [31]. Интерпретация геомагнитных аномалий подразделяется на качественную и количественную. Под получение сведений об качественной интерпретацией источниках аномального поля подразумевается на основании визуального рассмотрения морфологии этого поля, а также исходя из некоторых общих положений теории потенциала и на основе накопленного опыта. При этом в понятие качественной интерпретации включаются и ориентировочные определения некоторых количественных характеристик возмущающих тел. При качественном анализе карт геопотенциальных полей прежде всего определяют их общий характер: 1) наличие медленно изменяющихся компонент - так называемых региональных полей; 2) наличие переменной части поля - так называемых локальных аномалий; 3) наличие участков с примерно одинаковым характером строения локальных аномалий; 4) степень сложности локального поля на каждом участке. Региональными называются аномалии, проявляющиеся на больших площадях (в десятки и сотни тысяч кв. км) и обусловленные крупными образованиями в земной коре и верхней мантии. Присутствие региональных аномалий обычно проявляется в тенденции изолиний поля к ориентировке (вытягиванию) в определенном направлении и в систематическом изменении величин, характеризующих поля в этом направлении. Перпендикулярно к этому направлению поля обычно плавно изменяются. 45 Локальные аномалии проявляются на картах в трех формах: 1) наличием систем замкнутых изолиний с одним или несколькими относительными максимумами или минимумами; 2) наличием локальных вариаций (изгибов) в ходе изолиний; 3) наличием сгущений изолиний (зон резко повышенного градиента поля). По своей морфологии локальные аномалии обычно подразделяются на изометричные и линейные. Изометричные аномалии характеризуются концентрическим характером изолиний, линейные - параллельным расположением с резким изменением формы в области замыкания. Заключения об источниках аномалий основываются на следующих принципах: наличие аномалий с относительным максимумом свидетельствует о наличии избытка масс - присутствии возмущающего тела с положительной эффективной плотностью (интенсивностью намагничения) и, наоборот, наличие аномалий с относительным минимумом свидетельствует о наличии дефекта масс; наибольшие по абсолютной величине значения аномалий наблюдаются, как правило, вблизи проекций центров тел на дневную поверхность. Исключением в некоторых случаях являются магнитные аномалии, обусловленные объектами с наклонным намагничением и вертикально намагниченными горизонтальными пластами малой вертикальной мощности; линии наиболее быстрого изменения поля (наибольших по абсолютной величине градиентов поля) приближенно соответствуют боковым границам возмущающих тел; простирание аномалий соответствует простиранию возмущающих тел; изометричные аномалии соответствуют телам с изометричной проекцией на дневную поверхность; наличие симметрии на графиках поля вдоль направлений перпендикулярных простираниям изолиний свидетельствует о симметричном расположении плотностных и магнитных (при вертикальном намагничении) 46 масс относительно вертикальной плоскости, проходящей через точку максимума (или минимума) графика. Асимметрия графиков свидетельствует об асимметрии в распределении масс; сложная конфигурация изолиний в плане, особенно наличие нескольких экстремумов, свидетельствует о присутствии нескольких, достаточно близ-ко расположенных возмущающих тел. Под количественной интерпретацией понимается нахождение по наблюденному аномальному полю параметров распределения масс (элементов залегания возмущающих тел) на основе аналитических или графических соотношений. Количественная интерпретация может включать в себя определение всех или только некоторых параметров возмущающих тел. Методы количественной интерпретации аномалий опираются на теорию решения прямой и обратной задач гравитационно-магнитного потенциала. Прямой задачей называются методы вычисления и нахождения картины структуры поля (нахождение значений потенциала или его производных) в любых точках пространства, внешнего к образующим поля массам, по заданному распределению этих масс (плотности или интенсивности намагничения масс и их координат). В настоящее время возрастает роль наблюдаемых аномальных полей при решении задач предсказания крупных сейсмических событий с помощью. Это стало возможным благодаря появлению современных методов и геотехнологий, позволяющих на новом уровне интерпретировать результаты исследования различных параметров физических полей, полученных в результате проведения, наземных, подземных (скважинных) и воздушных (спутниковых) исследований и являющихся в конечном итоге основой для создания объемных геолого-геофизических моделей изучаемых сейсмоопасных и вулканоопасных регионов. Здесь следует исходить из положения, что как само землетрясение или извержение вулкана, так и процессы подготовки таких событий - это следствие в конечном итоге тектонической активности Земли. Прогностические сигналы, 47 являясь отражением процесса подготовки сейсмического события, определяются изменениями в напряженно-деформированном состоянии горной породы во всем объеме зоны подготовки, в том числе и у дневной поверхности. Полагая также, что аномальные ЭМИ (как и ряд других предвестников) определяются механическими воздействиями в приповерхностных слоях земной коры. В целом аномальные ЭМИ являются составной частью процесса перераспределения энергии в период подготовки землетрясения. Но обладая присущими землетрясению характерными особенностями, оно дает дополнительные сведения в исследовании динамики развития напряжений перед землетрясением. Отметим также, что аномальное ЭМИ - один из пока что единичных способов получения оперативных сведений накануне стихийного бедствия. 48 Список используемых источников 1 Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии (Отв. ред. В.И.Уломов). Том 1. М.: ИФЗ РАН. 1993.. и Том 1-3. М.: ОИФЗ РАН. 1995 г. С. 303 2 Богатиков О.А., Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г. и др. Эльбрусская кальдера (Северный Кавказ). // ДАН. №4. 1998 г. С. 363 3 Геодинамика, сейсмотектоника и вулканизм Северного Кавказа. М.: Изд-во «Регион. общест. организ. ученых по пробл. прикладн. геофиз.», 2001 г 4 Катастрофические процессы и их влияние на природную среду. Т.1. Вулканизм. М.: Изд-во «Регион. общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики». 2002 г 5 Рогожин Е.А., Рейснер Г.И., Иогансон Л.И. Оценка сейсмического потенциала Большого Кавказа и Апеннин независимыми методами // Современные математические и геологические модели в задачах прикладной геофизики: Избр. науч. тр. М.: ОИФЗ РАН, 2001 г. С. 279-300 6 Гальперин геофизических А.А. условиях Чичасов крупных Г.Н.. «О метеорологических землетрясений», Труды и Казахского регионального Гидрометеорологического института. - № III. 1992 г 7 Кусонский О.А. «Предварительное изучение сейсмической активности района разрабатываемых месторождений нефти ЗАО «ЛУКОЙЛПЕРМЬ», Уральское отделение РАН, институт Геофизики. 1997 г 8 S. MUKHERJEE and A. MUKHERJEE Change in magnetic field: an early warning system to understand seismotectonics. School Of Environmental Sciences, Jawaharlal Nehru University, New Delhi-110067, India Received July 24, 2002; accepted July 24, 2002 9 Shestopalov I.P., Smyrrenny L N., Likin O.B. et al. Solar flares and seismic activity of the Earth // Annales Geophysic. 1995. V.13, Supp. l.3. Part 3. P. 666 49 Шестопалов И. П., Е. П. Харн 10 ЗЕМЛИ С СОЛНЕЧНОЙ И О СВЯЗИ СЕЙСМИЧНОСТИ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТЬЮ. // Материалы III Международной конференции «Солнечноземные связи и электромагнитные предвестники землетрясений», 16–21 августа 2004 11 Moore G.W. // Nature. 1964. V. 203. P. 508–509 12 FraserBSmith A.C. // Eos. 2008. V. 89. № 23. P. 211 13 Гульельми А.В. // УФН. Т. 177. № 12. 2007 г. С. 1250–1276 14 Моргунов В.А., Сидорин А.Я. // Сейсм. приборы. В. 25/26. 1996 г. С. 184–189 15 Бахмутов В.Г., Седова Ф.И., Мозговая Т.А. // Укр.антаркт. журн. № 1. 2003 г. С. 54–60 16 Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Аронов Е.А. // ДАН. Т. 248. № 5. 1979 г. С. 1077–1081 17 Собисевич А.Л., Гриднев Д.Г., Собисевич Л.Е., Канониди К.Х. // Сейсм. приборы. В. 44. 2008 г. С. 12–25 18 Гохберг М.Б., Шалимов С.Л. Воздействие землетрясений и взрывов на ионосферу. М.: Наука, 2008 г. С. 295 19 Алексеев А.С., Глинский Б.М., Имомназаров Х.Х. и др. В кн.: Изменения природной среды и климата. Природные катастрофы. Сейсмические процессы и катастрофы. М.: ИФЗ РАН, 2008 г. Т. 1. С. 179–222 20 Собисевич Л. Е., Канониди К. Х., Собисевич А. Л. Ультранизкочастотные электромагнитные возмущения, возникающие перед сейсмическими событиями. Доклады Академии наук. т. 429. № 5. 2009 г 21 http://www.geo.iitp.ru 22 Арбузкин В.Н., Греков И.И., Компаниец М.А., Кухмазов С.У., Литовко Г.В., Морозова А.М., Пешко Н.В., Трофименко Е.А., Шамановская С.П. Отчёт о комплексных геолого-геофизических исследованиях по Приэльбрусскому профилю (Отв. исполнитель: Литовко Г.В.). ФГУГП <Кавказгеолсъемка>. Ессентуки, 2002 г 50 23 Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ними техногенные катастрофы: 8 т. /Пред. ред. кол.: Н.П. Лаверов. РАН. - М.: ИФЗ РАН, 2008. Т. 1: Сейсмические процессы и катастрофы /Отв. ред. А.О. Глико.-М.: ИФЗ РАН, 2008 г. С. 404 24 Карта аномального магнитного поля Северного Кавказа. Изолинии . Масштаб 1:1000000. Гл. редактор Н.И. Пруцкий. Отв. редактор А.Г. Шемпелев. МПР РФ, Сев.-Кавк. Регион. геол. Центр, геолого-съемочная экспедиция. Карта оформлена и отпечатана в ЮФЦ «Геон» г.Пятигорск, 1998 г 25 Собисевич А.Л., Гриднев Д.Г., Собисевич Л.Е.,Канониди К.Х., Шевченко А.В. О РАЗВИТИИ СЕВЕРОКАВКАЗСКОЙ РАБОТ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СОЗДАНИЮ ОБСЕРВАТОРИИ Всероссийская научная конференция. Нальчик. 2008 г 26 Канониди К.Х. Магнитные наблюдения на Баксанской геофизической обсерватории. Современные методы геолого-геофизического мониторинга природных процессов на территории Кабардино-Балкарии. Москва, 2005 г. Издательство: «Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики» 27 Бобров В.Н. Любимов В.В. Цифровая магнитовариационная станция. Экономика и производство. №1. 2005 г 28 Собисевич А.Л., Канониди К.Х. Результаты натурных наблюдений магнитного поля в районе Эльбрусского вулканического центра. ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА СЕВЕРНОГО ПРИРОДНЫХ КАВКАЗА. ПРОЦЕССОВ Издательство: НА ТЕРРИТОРИИ «Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики». Москва. 2007г. стр.154-160 29 Уральский Лаборатория государственный квантовой ОВЕРХАУЗЕРОВСКИЙ ДАТЧИК технический магнитометрии. POS-1 эксплуатации 51 (ПОС-1). университет. ПРОЦЕССОРНЫЙ Руководство по 30 IGRF10 Model Coefficients for 1945-2010 http://modelweb.gsfc.nasa.gov/magnetos/igrf.html 31 Интерпретация магнитных и гравиметрических данных. Мет. указания. В.А. Кортунов., Е.Н. Суховеев. Владивосток: Изд-во ДВГТУ. 2004 г. С. 47 52 Приложение 1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 53 54 55 56
