Электромагнитное и сейсмоволновое поля

Реферат

Электромагнитные поля Земли и их изучение в электрометрии и электроразведке

Электромагнитное поле – материальная среда, в которой элементарные заряженные частицы под действием упорядоченного движения, например в радиационных поясах, создают электрический ток (ток проводимости). Одновременно индуцируется электромагнитная индукция, что приводит к появлению токов смещения. Таким образом, электромагнитное поле – это сумма электрического и магнитного полей, приводящих к существованию в природных объектах электромагнитных волн.

С электрической частью поля связывают поля циркуляции токов (направленное движение электронов, ионов) проводимости.

С электромагнитной частью поля (переменного магнитного поля) связывают поля преобладания токов смещения.

Электропроводящие среды наиболее благоприятны для протекания токов проводимости, а диэлектрики - для токов смещения.

Электропроводимость среды оценивается через показатели удельной электрической проводимости (электропроводности) и диэлектрической проницаемости.

э - удельная электропроводность, ед. изм. – Сим/м

- диэлектрическая проницаемость, ед. изм. – отн. ед.

Основные параметры электромагнитного поля - напряженность электрического и магнитного полей, а также - электрическая и магнитная индукция. Эти параметры связаны с материальными электрическими показателями материальной среды, т. е. с электрическими свойствами э и следующими соотношениями:

Во всех оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу, литосферу, всевозможные кинетические процессы, включая электрохимические и электродинамические, приводят к возникновению и циркуляции вихревых токов. Последние вызывают электромагнитную индукцию. Далее процесс веерообразно развивается, что предопределяет существование неуправляемых электрических и электромагнитных полей Земли, которые различаются по своей интенсивности и источникам.

Электромагнитные поля Земли преимущественно естественного происхождения. К ним относятся магнито-теллурические поля (за счет вариаций КПК), поля грозовой активности, электродинамические поля за счет геодинамических, в том числе акустических процессов.

Отдельной группой полей следует считать электромагнитные поля техногенного происхождения, к ним относятся поля дальних-ближних радиостанций, теле- и радиокоммуникаций, линий ЛЭП, переизлучений от всевозможных трубопроводов и т.д.

Наконец, в верхней части литосферы возникают естественные постоянные электрические поля вследствие электрохимических и электрофизических процессов.

Постоянные естественное и искусственное электрические поля

Естественные постоянные электрические поля возникают и постоянно существуют в земной коре, вследствие электрохимических и электрофизических процессов, в результате которых на границах разделов геологических (природных) сред возникают двойные электрические слои. Различают:

Поля электрохимической активности возникающие при контакте металлических руд или металлизированных технических объектов с вмещающими породами при активном воздействии природных вод.

Поля фильтрационной активности, которые обусловлены движением подземных вод (возникают потенциалы течения). Эти поля наиболее интенсивно проявляются на склонах гор и оврагов, на берегах и в руслах рек.

Поля диффузионные, образуемые над контактом двух природных растворов с различной минерализацией, например, соленых и пресных подземных вод. Процесс связи с диффузией ионов из раствора с большей концентрацией перемещаются в раствор с меньшей концентрацией.

Знак диффузионного потенциала зависит от соотношения чисел переноса катионов и анионов. В случае раствора NaCl справедлива формула:

где 1,2 - УЭС контактируемых растворов.

Атмосферное электричество – электростатическое поле Земли

Это поле представляется в виде гигантского конденсатора, проводящими обкладками которого являются земная поверхность и слой ионосферы. При этом ионосфера имеет положительный заряд, а литосфера + гидросфера – отрицательный. Разность потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли составляет 300 кВ.

Движение положительных зарядов вниз и встречное движение отрицательных зарядов вверх проводит к возникновению тока проводимости (I = 2,9*10-20 А/м2). У поверхности Земли разность потенциалов U = 100 В/м, а во время гроз 40 000 В/м.

В нормальных условиях соотношение ионов (аэроионов) положительных и отрицательных знаков составляет 1,14, т.е. q = n+/n- = 1,14. При этом, в этих нормальных условиях n = (n+)+(n-) = 1000–1400, а в экологически осложненных районах n = 1100–3500 в 1 см.

Насыщение воздуха ионами происходит вследствие распада радиоактивных элементов, находящихся в воде, почве и горных породах. Возникающее радиоактивное излучение вместе с космическим излучением приводит к ионизации воздуха в приземном слое атмосферы. Ионизация радия (222Ra) в почвенном слое примерно на 3 порядка выше, чем в приземном слое атмосферы и это приводит к увеличению проводимости почвенного воздуха по отношению к атмосферному в соотношении 30:1.

Электростатическое поле Земли больше в средних широтах и убывает с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.

Как и в магнитном и гравитационном полях, в поле атмосферного электричества имеют место синхронные суточные и годовые вариации поля.

Типичный ход электрического поля Е с высотой

в зонах «хорошей» погоды

а – в чистой атмосфере

б – над континентами

Основными генераторами атмосферного электричества являются облака и осадки. Как правило, облака заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, притом что на кромке существует двойной электрический слой и в сторону лито- и гидросферы «направлен» слой положительных зарядов.

Глобальная электрическая цепь заряжается грозами. Электрическое поле Земли «уравновешивается» процессами в зонах «хорошей» и «плохой» погоды.

Схема глобальной электрической цепи, заряжаемой грозами

Генераторы 2-го порядка – извержения вулканов и пылевые бури, снежные метели, промышленные выбросы.

Тема: Переменные гармонически изменяющееся, неустановившееся и магнитотеллурическое электромагнитные поля

Магнито-теллурическое поле.

Сигналы КПК (короткопериодные колебания) имеют период Т = 1-100 сек и более. Их можно наблюдать во времени в виде иррегулярных колебаний параметров поля и .

Параметр измеряется магнитометром, параметр - микровольтметром. Отношение Ех к Ну имеют название импеданса Z и зависит от удельного электрического сопротивления слоев горных пород, то есть .

Чем больше Т, тем меньше частота и тем глубже поле проникает в Землю. На этом основан метод МТЗ (магнито-теллурическое зондирование). С помощью этого метода удалось установить изменение в нормальном геоэлектрическом разрезе в интервале глубин от 30 до 300 км.

Особенности глубинных геоэлектрических разрезов обусловлены увеличением с глубиной температуры и давления. В некоторых геосинклинальных областях обнаруживаются 1-2 контрастных проводящих слоя.

Один из примеров – изучение по импедансу Z геологического разреза Приазовской части Украинского щита в диапазоне периодов Т = 10 – 1600 с. Это соответствует глубинам, превышающим глубину залегания поверхности Мохоровичича.

Разрез земной коры и верхней мантии разбит на серию чередующихся по электропроводимости вертикальных блоков. Размеры этих блоков значительно больше по вертикали и менее значительны по горизонтали. Эти данные подтверждают блоковое строение земной коры.

Проблема горизонтальной расслоённости земной коры и верхней мантии по электрическим свойствам (в отличие от вертикальной зональности) значительно сложнее, чем в сейсмометрии. По данным электрометрии методами МТЗ, ЧЗ, ВЭЗ определяется только одна субгоризонтальная граница – поверхность кристаллического фундамента. Все остальные границы, включая астеносферу – гипотетичны.

Электромагнитное поле грозовых разрядов.

Это поле сложного взаимодействия метеорологических и электрических процессов, приводящих к грозовым разрядам (молниям). Количество молний за 1 сек на земном шаре более 100. Молния – это мощный электрический диполь. Сигналы, улавливаемые на расстоянии, называются атмосфериками и состоят из серии высокочастотных колебаний с преимущественной частотой в диапазоне 0,5–1 кГц и 6-8 кГц.

Шумовая составляющая поля существует постоянно, но ее уровень плавно изменяется во времени.

Электромагнитное поле наведенных и естественных шумов

К наведенным электромагнитным шумам относятся электромагнитные поля дальних и в некоторой мере ближних радиостанций. Эти станции работают круглосуточно и их поле на удалении, как и для поля грозовой активности можно представить в виде плоской волны, распространяющиеся вдоль поверхности Земли. Преимущественная частота поля 10–20 кГц. Глубина проникновения вихревых токов в высокоомных толщах достигает несколько десятков метров.

К естественным электромагнитным шумам относятся электромагнитные поля электромагнитной эмиссии от геофизических процессов (землетрясений, оползней, обвалов, метеоритных ударов). Эти поля носят название ЕИЭМПЗ (естественное импульсное электромагнитное поле Земли). Они особенно интенсивно проявляется в зонах тектонических разломов, карстовых зонах, областях пород с повышенными сейсмоэлектрическими свойствами.

Краткая теория сейсмоволнового поля и его изучение в сейсмометрии и сейсморазведке

Сейсмоволновое поле – это материальная среда упругого взаимодействия природных объектов от микро- (соударение элементарных частиц) до макроуровней (соударение метеоритов с Землей). Механическое взаимодействие природных объектов обусловливает существование упругих напряжений. В результате последних происходят деформации и, как следствие, смещение частиц среды в направлении действия силы F. Если частицы жестко связаны между собой, то смещение одной частицы вызывает смещение другой (принцип домино). Происходит распространение упругой деформации с некоторой скоростью.

В общем случае сейсмоволновое поле описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:

, где (1)

U – звуковой потенциал сейсмоволнового поля;

t – время;

V – скорость распространения продольной волны в породе;

х – координата смещения частиц.

Волновое уравнение (1) составлено (выводится) на основе:

1) 2-го закона Ньютона:

F = a * m,

где F – сила действующая на массу m с ускорением

2) закона Гука: Px = E * ex, где Px – приложенное напряжение, ex – деформация, E – модуль упругости (модуль Юнга).

E = , где - плотность.

Для полного определения распространения упругих колебаний в среде необходимо знать начальные и граничные условия.

Деформации, возникающие в природных средах под действием механических напряжений, вызывают различные по своей природе волны: продольные (Р) и поперечные (S). Р–волны – волны растяжения–сжатия. S–волны – волны сдвига (колебания в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны).

На свободной поверхности возникает особый вид колебаний, называемый поверхностными волнами (волны Релея и Лява).

При изучении распространения сейсмических волн пользуются принципами лучевого приближения. Он обоснован Гюйгенсом и заключается в том, что траектории лучей всюду перпендикулярны к фронту волны. Следовательно, в однородной среде эти лучи представляют собой прямые линии, а в неоднородной среде будут искривлены.

На основе принципов лучевого приближения (геометрической сейсмики) можно получать графики зависимости времени прихода волн t от расстояния х, отсчитываемого от пункта возбуждения волн. Такие графики называются годографами. Их строят для основных групп волн, отличающихся по способу распространения в среде. Это волны: 1) отраженные (отразившиеся от границ между слоями с различной акустической жесткостью, которая является произведением плотности на значение скорости распространения упругих волн в той или иной среде), 2) преломлённые или головные (образовавшиеся на границах между низкоскоростным слоем сверху и высокоскоростным слоем снизу), 3) рефрагированные (возникающие в средах, где происходит увеличение скорости с глубиной). Годографы перечисленных групп волн имеют следующий вид.

Годографы волн:

1 – отраженной;

2 – преломлённой;

3 – рефрагированной.

Тема: Землетрясения и сейсмология. Акустика океана

Сейсмоволновое поле Земли в отличие от гравитационного, магнитного, теплового, являющимися преимущественно стационарными, относится к динамическим переменным полям, причём полям неравномерно-пульсирующим. По своей природе это поле близко к переменным электромагнитным полям Земли. Поэтому правильно говорить о пульсирующих сейсмоакустических полях. Последние в сейсмометрии, как и в электрометрии, разделяются на естественные, включая шумовые, и искусственные.

Из естественных сейсмоволновых полей наиболее частыми и значимыми являются упругие поля землетрясений.

Под землетрясением понимают процесс, при котором выделяется энергия в виде упругих колебаний. Область локализации максимальной энергии упругих колебаний называется очагом землетрясения или его гипоцентром. Он обозначается буквой G, а радиальная проекция этого гипоцентра на поверхность Земли есть эпицентр А.

От G расходятся продольные и поперечные волны, а от А поверхностные волны Лява и Релея.

Зоны землетрясений распределены по земному шару неравномерно и приурочены к активным региональным разломам или связаны с резкой сменой физических параметров земной коры и мантии. На таких границах образуются объемные (отраженные и преломленные) и обменные (переход продольной волны в поперечную и наоборот) волны.

Различные по энергии землетрясения оцениваются по показателю, называемому магнитудой М.

, где

а и а0 – амплитуды колебаний: а – в точке наблюдения, а0 – стандартная (отклонение в 1 мк на 100 км), - эпицентральное расстояние.

После каждого землетрясения образуются упругие волны с частотами f = 0,01 – 10 Гц. Дальность распространения зависит от h, интенсивности землетрясения, поглощающих свойств среды.

Различают землетрясения:

а) Неглубокие. h 30-70 км. Причина образование связана с разрядкой напряжений в результате деформаций земной коры.

б) Промежуточные. h 70-300 км. Причина образования, по всей видимости, связана с перенапряжениями при перемещении блоков земной коры.

в) Глубокие. h 300-700 км.. Причина образования связана с неустойчивым состоянием вещества в астеносфере и дифференциацией вещества в мантии Земли.

«Спусковым механизмом» для перечисленных групп землетрясений является пульсационная активность Солнца (в частности, замечена 22-х летняя периодичность).

Количество землетрясений в год около 800 тыс. При сильных землетрясениях возникают собственные колебания Земли, которая подобно колоколу излучает сверхинфрачастотные колебания с частотой менее 0,001 Гц. Поэтому поле упругих (сейсмических) колебаний существует в Земле практически постоянно. Изучение этого поля дает богатую информацию для геофизических экологических исследований. Главная задача – прогнозирование катастрофических землетрясений в сейсмоопасных зонах. Важен также сейсмический мониторинг в зонах глубинных разломов земной коры, где возникают местные землетрясения.

Возбуждаемые землетрясениями поверхностные волны играют большую роль в изучении литосферы и верхней мантии Земли. Эти волны характеризуются большими периодами колебаний (от 30 до 300 с). Их скорости меньше скоростей объемных поперечных волн, амплитуды колебаний уменьшаются с глубиной по экспоненциальному закону.

К шумовым полям относят две категории полей:

1) Поля деформационных процессов при извержении вулканов, возникновении горных ударов в шахтах и карьерах, а также обвалов, оползнеобрушений в горной местности и по берегам водоемов и рек. Это шумовые поля преимущественно звукового диапазона частот (10 Гц–10 кГц).

2) Поля деформаций земной коры вследствие технологической деятельности. К ним относятся участки разработки нефтегазовых, угольных и рудных месторождений, а также территории мощных вибрационных сооружений (ГЭС, ТЭЦ и др.). Более мелкий порядок – это поля от вибраций на железных и шоссейных дорогах, заводах и др. промышленных объектах крупных городов.

Шумовые поля создают сейсмическую загрязненность на территориях городских и поселковых агломераций, которую требуется изучать и учитывать при решении геодинамических и экологических задач.

Особое значение для изучения сейсмоволнового поля Земли имеют ее собственные колебания. Последние, как уже выше подчеркивалось, возникают вследствие землетрясений большой магнитуды.

Возбуждаемые колебания делят на два класса:

Крутильные – сдвиговые колебания, где вектор смещения перпендикулярен к радиусу Земли.

Сфероидальные – объемные пульсации, где вектор смещения изменяется по радиусу в различных азимутальных направлениях.

Крутильные колебания обозначаются буквой Т. Они связаны только с твердой оболочкой Земли.

Сфероидальные колебания обозначаются буквой S. Они связаны с распределением зон сжатия и расширения Земли и захватывают весь объем планеты.

Совершенствование приборов и развитие математического аппарата позволяет исследовать не только сферически симметричную модель Земли, но и наличие в ней неоднородностей.

Литература

1. Аплонов, С.В. Геофизика для геологов: Учебник / С.В. Аплонов, К.В. Титов. - СПб.: СПбГУ, 2012. - 248 c.

2. Богословский, В.А. Геофизика: Учебник / В.А. Богословский, Ю.И. Горбачев, А.Д. Жигалин. - М.: КДУ, 2012. - 320 c.

3. Воскресенский, Ю.Н. Полевая геофизика: Учебник для вузов / Ю.Н. Воскресенский. - М.: ИД Недра, 2010. - 479 c.

Электромагнитное и сейсмоволновое поля