Электромагнитные аномалии в связи с Култукским землетрясением на оз. Байкал

Ю.Ф. Мороз1,2, Г.И. Татьков2 , Т.А. Мороз1, Т. Моги3,

Ц.А. Тубанов2, П.А. Предеин2

1 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск- Камчатский

2 Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ

3 Университета Хоккайдо(Япония)

Содержание

• Введение

• Методика работ и обработки данных

• Анализ вариаций геомагнитного поля

• Мониторинг геоэлектричеческой неоднородности среды

• Аномальные эффекты в электрическом поле Земли

• Аномальные изменения напряжённости электрического

поля, электропроводности среды и уровня подземных вод

• Выводы

Схема расположения пунктов наблюдений и векторов ReW

Степной дворец

Хурамша

Сухой ручей

Надеено

Патроны

Энхалук

Тырган

20 км

оз. Б а

й к

а л

ReW0.1

100 100

1000

1000

1000

1000

100

100

2

3

1

4100

• 1 – обсерватория Патроны, 2 – пункты наблюдений, 3 – эпицентр Култукского землетрясения с М = 6.3 (27.08.2008 г.), 4 – вещественный типпер ReW.

Вековые вариации составляющих геомагнитного поля H,D,Z.

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

56800

57000

57200

57400

56800

57000

57200

57400

Z

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

-200

-180

-160

-140

-120

D

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

18600

18800

19000

19200

19400

19600

19800

H

На

пряж

енн

ост

ь, н

Тл

Скл

оне

ние

, м

ину

ты

На

пряж

енн

ост

ь, н

Тл

М =6,327.08.2008

года

года

года

Сопоставление графиков вековых вариаций напряжённости вертикального геомагнитного поля в обсерваториях Паратунка (1) и Патроны (2).

45600

46000

46400

46800

47200

0 10 20 30 40 50

56800

56900

57000

57100

57200

57300

57400

На

пряж

енн

ост

ь, н

Тл

(Па

рат

унка

)

На

пряж

ённ

ость

, нТ

л(П

атр

оны

)

1 2

1 9 7 6 1 9 8 6 1 9 9 6 2 0 0 6

М =6.3

График среднегодовых значений напряжённости полного вектора геомагнитного поля в обс. Патроны

0 2 4 6 8 1 0

6 0 2 8 0

6 0 2 9 0

6 0 3 0 0

6 0 3 1 0

6 0 3 2 0

F , нТл

годы2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 7 2 0 0 9 2 0 1 1

• На временной оси стрелкой показан момент Култукского землетрясения.

Сопоставление графиков среднегодовых значений напряжённости полного вектора геомагнитного поля в обс. Патроны и в пп. Сухой ручей, Хурамша, Надеено

0 2 4 6 8 10

60040

60050

60060

60070

60080Н адеено

0 2 4 6 8 1 0

6 0 3 6 0

6 0 3 7 0

6 0 3 8 0

6 0 3 9 0

6 0 4 0 0 Сухой ручей

0 2 4 6 8 10

60480

60490

60500

60510 Х урам ш а

0 2 4 6 8 10

60280

60290

60300

60310

60320П атроныF ,нТл

F ,нТл

F ,нТл

F ,нТл

2003 2005 2007 2009 2011 годы

Графики разностей годовых значений напряжённости геомагнитного поля между пунктами наблюдений и обсерваторией Патроны.

-2 5 2

-2 4 8

-2 4 4

-2 4 0

-2 3 6

-2 3 2

Н адеено-П атроны

1 8 5

1 9 0

1 9 5

2 0 0

Хурам ш а-П атроны

7 0

7 5

8 0

С ухй ручей-П атроныF s-F p ,нТл

F h -F p ,нТл

F n -F p ,нТл

2003 2005 2007 2009 2011

2003

2003

2005

2005

2007

2007

2009

20112009годы

годы

годы

2011

Частотные характеристики магнитных типперов

Нz = WzxHx + Wzy Hy , где Hz, Hx Hy, – составляющие наблюденного геомагнитного поля; Wzx, Wzy –

коэффициенты, зависящие от частоты, распределения электропроводности в Земле и ориентации

координатных осей.

Hz = [W] Hгор., где [W] = [Wzx,Wzy]; Hгор= [Hx, Hy].

Матрица Визе-Паркинсона может быть представлена в векторной форме:

W = Wzx1x + Wzy 1y

Вектор W называется типпером Визе –Паркинсона или индукционной стрелкой Визе –Паркинсона.

Комплексный вектор W состоит из вещественного и мнимого типпера (вещественная и мнимая

индукционные стрелки):

W = ReW + iImW, где

ReW = ReWzx1x + ReWzy1y

ImW = ImWzx1x + ImWzy1y

Частотные характеристики магнитного типпера в обс. Патроны, пп. Тырган,

Энхалук и Надеено.

1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0

0 .0 4

0 .0 8

0 .1 2

0 .1 6

0 .2

R eW

T , c

1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

T , c

А з , гр ад .

R eW ,Im W

100 1000 10000 100000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

100 1000 10000 100000

-200

-150

-100

-50

0

50

100

100 1000 10000 100000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

100 1000 10000 100000

-100

-50

0

50

100

150

R eW ,Im W

R eWIm W

R eW ,Im W

А з, гр ад .

А з , гр ад .

R eW

R eW

T , c

T , c

T , c

T , c

обс.П атроны п.Тырган

п.Э нхалук п.Надеено

100 1000 10000 100000

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

100 1000 10000 100000

-100

0

100

200

300

T , c

T , c

А з , гр ад .

R eW

R eW

Im W

Im W

Im W

Im W

Im W

R eW

R eW ,Im W

Im W

R eW

Im W

Схема расположения пунктов наблюдений и векторов ReW

Степной дворец

Хурамша

Сухой ручей

Надеено

Патроны

Энхалук

Тырган

20 км

оз. Б а

й к

а л

ReW0.1

100 100

1000

1000

1000

1000

100

100

2

3

1

4100

• 1 – обсерватория Патроны, 2 – пункты наблюдений, 3 – эпицентр Култукского землетрясения с М = 6.3 (27.08.2008 г.), 4 – вещественный типпер ReW.

Временной ряд вещественного типпера на периоде 150 с.

0 200 400 600 800

-1

0

1

2

2001 2003 2005 2007 2009 2011года

сутки х 5

R eW

М =6.3

52°

102° 108°

Улан-Удэ

1 41 32

35 км 0 35 70 105 км

Иркутск

Тальцы52°

102° 108°

Выдрино

Бабушкин

Котокель

Узур

БыстраяШигаево

Тырган

Солнопечное

Талая

Патроны

Схема расположения пунктов наблюдений электромагнитного поля, уровня подземных вод и эпицентра Култукского землетрясения

99

10

а б

100 м

С

5

44 4

8 88

0 0

5 5

1

1

1

6 6

3 3

2 2

77

Система наблюдений электрического поля японскими (а) и российскими регистраторами

0 200 400 600 800 1000

154

156

158

0 200 400 600 800 1000

358

360

362

0 200 400 600 800 1000

16

24

32

0 200 400 600 800 1000

120

128

0 200 400 600 800 1000

950

952

954

м В/км

M =6.3L=127км27.08.2008 (01:35:31)

сек х 10

а

б

в

г

д

0 200 400 600 800 1000

348

352

0 200 400 600 800 1000

76

80

84

0 200 400 600 800 1000

-268

-264

0 200 400 600 800 1000

-122

-118

0 200 400 600 800 1000

-892.8

-892.4

M =6.3L=312 км27.08.2008 (01:35:31)

0 200 400 600 800 1000

-32

-28

-24

0 200 400 600 800 1000

-644

-640

0 200 400 600 800 1000

170

172

0 200 400 600 800 1000

702

704

0 200 400 600 800 1000

219222002208

M =6.3L=176 км27.08.2008 (01:35:31)

а

б

в

г

д

а

б

в

г

д

0 200 400 600 800 1000

-40-32-24-16

0 200 400 600 800 1000

230

240

0 200 400 600 800 1000

1648

1652

1656

0 200 400 600 800 1000

1036

1040

M =6.3L=108 км27.08.2008 (01:35:31)

а

б

в

г

д

м В/км

м В/км м В/км

Б абуш кин Котокель

Ш игаево С олнопечное

сек х 10

сек х 10 сек х 10

0 200 400 600 800 1000

-4900

-4880

-4860

Временные ряды напряжённости электрического поля

0 200 400 600 800 1000

160

164

168

0 200 400 600 800 1000

504

508

512

0 200 400 600 800 1000

-88

-80

-72

0 200 400 600 800 1000

-1128

-1120

-1112

0 200 400 600 800 1000

-3452

-3448

-3444

M =6.3L=60 км27.08.2008 (01:35:31)

а

б

в

г

д

0 200 400 600 800 1000

-560

-480

0 200 400 600 800 1000

920

1000

1080

0 200 400 600 800 1000

80

160

0 200 400 600 800 1000

160

240

320

0 200 400 600 800 1000

0

160

320

мВ/кма

б

в

г

д

мВ/км

M =6.3L=201 км27.08.2008 (01:35:31)

0 200 400 600 800 1000

556

558

560

0 200 400 600 800 1000

-4

-2

0

0 200 400 600 800 1000

196

198

200

0 200 400 600 800 1000

-558

-556

-554

0 200 400 600 800 1000

-1138

-1136

-1134

M =6.3L=312 км27.08.2008 (01:35:31)

мВ/км

0 200 400 600 800 1000

142144146148

0 200 400 600 800 1000

-404

0 200 400 600 800 1000

528

531

0 200 400 600 800 1000

1134

1140

мВ/кма

б

в

г

д

а

б

в

г

0 200 400 600 800 1000

11560

11600

11640

M =6.3L=43 км27.08.2008 (01:35:31)

д

сек х 10

сек х 10

сек х 10 сек х 10

Тальцы Ты рган

У зур Вы дрино

Временные ряды напряжённости электрического поля

Графики напряжённости составляющих геомагнитного поля Н и D в обс.Патроны и п. Тырган.

С олнопечное

Ш игаево

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.1

1

10

100

1000

10000

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.1

1

10

100

1000

10000

c 1 /2

Тальцы

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.1

1

10

100

1000

10000

Бы страя

0.01 0.1 1 10 100 1000

1

10

100

1000

10000

100000

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.01

0.1

1

10

100

1000

Узур

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.01

0.1

1

10

100

1000

Вы дрино

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.1

1

10

100

1000

10000

Б абуш кин

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.01

0.1

1

10

100

1000

Ты рган

0.01 0.1 1 10 100 1000

0.1

1

10

100

1000

10000

Котокель

к,О м .м

к,О м .м

c1 /2

к,О м .м

к,О м .м

c1 /2,

c1 /2,

1 2 3

Кривые МТЗ вокруг южной части озера Байкал

График зависимости разности времени между моментами землетрясения и временем возникновения импульсов от эпицентрального расстояния

Сопоставление графиков напряжённости электрического поля внутриземных источников в п. Быстрая и уровня подземных вод в п. Талая. На временной оси

указан момент землетрясения с М=6.3

Сопоставление графиков вещественной и мнимой частей электрического типпера в п. Быстрая с графиком уровня подземных вод в п. Талая. На временной оси указан

момент землетрясения с М=6.3.

Выводы

По данным многолетних наблюдений геомагнитного поляв ыявлены изменения среднегодовых

значений полного вектора геомагнитного поля с 2003 по 2011 гг. Предполагается, что эти изменения могут

быть вызваны активизацией геодинамических процессов, которые проявились сильнейшим Култукским

землетрясением.

По вариациям геомагнитного поля в диапазоне периодов от первых минут до первых часов получены

частотные кривые магнитного типпера в обс. Патроны, пп. Энхалук , Тырган и Надеено.

Экспериментальные кривые типперов нельзя объяснить наличием только проводящего осадочного чехла

в Байкальской впадине. Удовлетворительное согласие экспериментальных и модельных частотных

кривых типпера получено для обобщённой двумерной модели, содержащей также глубинные проводящие

слои. При этом в районе п. Энхалук модель на глубинах 2 -10 км содержит разлом шириной в первые сотни

метров с удельным электрическим сопротивлением в первые единицы Ом∙м.

В поведении вещественных типперов на периодах 150 – 300 с проявилось аномальное возмущение,

которое может быть связано с Култукским землетрясением. Приближённые оценки, выполненные с

помощью численного моделирования магнитотеллурического поля, свидетельствуют, что для подобного

изменения вещественного типпера на периоде 150 с необходимо увеличение электропроводности верхних

частей земной коры южной части впадины в первые десятки раз. Возможно, что в результате

землетрясения в указанные части разреза произошло проникновение высокоминерализованных

растворов. С течением времени минерализация растворов уменьшалась и аномалия исчезла. Также нельзя

исключить появление в результате землетрясения литосферно-ионосферных связей, которые могли

привести к аномальным возмущениям магнитного типпера.

В электротеллурическом поле, примерно, за 20 минут до землетрясения не проявились или слабо проявились короткопериодные вариации с периодами в первые десятки секунд. Эффект выражен в геомагнитном поле. Он является региональным. Связь эффекта с землетрясением проблематична. Различная степень проявления эффекта в пунктах наблюдений определяется электропроводностью геологической среды.

Наряду с затуханием высокочастотных вариаций перед землетрясением в электрическом поле проявились скачкообразные изменения по времени близкие к моменту землетрясения. В большей мере они выражены в поведении вертикальной компоненты электрического поля. Эффект связан с приходом сейсмической волны и является косейсмическим. Амплитуда сейсмоэлектрического сигнала определяется интенсивностью сейсмической волны. Сейсмоэлектрический сигнал может быть обусловлен электрокинетическим эффектом, а также смещением электродов в результате действия сейсмической волны от землетрясения.

В п. Быстрая в поведении электрического поля внутриземных источников выявлена бухтообразная аномалия интенсивностью 100 мВ/км, связываемая с Култукским сильным землетрясением. Аномальное изменение электрического поля началось за 40 суток до землетрясения. Аномалия по времени и форме согласуется с подъёмом уровня воды в скважине, расположенной в 14 км от пункта Быстрая. Предполагается, что в связи с землетрясением увеличились тектонические напряжения в земной коре, которые вызвали поднятие уровня подземных вод. В результате возникли электрокинетические, электрохимические и другие эффекты в верхних частях земной коры, которые проявились аномальным изменением напряжённости электрического поля, которое является предвестником сильного Култукского землетрясения.

В п. Быстрая в поведении вещественной части электрического типпера, характеризующего геоэлектрическую неоднородность среды, выявлено аномальное изменение в виде бухтообразной вариации, которая связывается с Култукским землетрясением. Вариация предваряет и сопровождает землетрясение. Аномальные изменения произошли за 10 – 15 суток до землетрясения. Аномалия согласуется с подъёмом уровня воды в п. Талая. Предполагается, что аномалия вещественной части электрического типпера связана с подъёмом уровня воды, которое привело к уменьшению степени геоэлектрической неоднородности среды. Выявленный аномальный эффект в поведении электрического типпера является предвестником сильного Култукского землетрясения.

Благодарю за внимание