Математические и численные методы теории сейсмогенных возмущений электромагнитных и тепловых полей геосред с низкоомными неоднородностями

• Автор: Новик, Олег Бенционович
• Шифр специальности: 04.00.22
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 330 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СЕЙСМОГЕННЫХ ВОЗМУЩЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ
полей (свэтп).
Возмущения электромагнитного (эм) и теплового (т) полей неоднократно измерялись на различных стадиях развития землетрясений как на поверхности Земли, так и под ней. Кроме того, эм-возмущения измерялись в атмосфере над зонами подготовки землетрясений, а также перед горными ударами в шахтах, при оползнях, после взрывов. Нестационарная деформация и разрушение образцов горных пород в лабораторных условиях также сопровождались возмущениями немеханических эм- и т-полей [Гохберг и др.,1988,1991; Добровольский, 1991; Зубков, 1992; Лшеровский и др., 1992; Моргунов и др., 1991; Николаев (редактор),1994; Паркинсон, 1986; Соболев, 1993; Страхов (редактор),1991; Физика и механика разрушения горных пород
Hayakawa and Fuginawa (Editors), 1994; Jonston and Parrot (Editors),1993. Более полный список литературы по рассматриваемым во введении вопросам приведен в соответствующих разделах работы.
Наблюдается устойчивое стремление использовать связанность эм- и т-полей с нестационарными деформациями в прогностических целях. При этом натурные и лабораторные данные говорят о большей информативности по отношению к динамическим процессам измерений комплекса полей различной природы по сравнению с измерениями поля какой-либо одной природы. В частности, целесообразность геотемпературных наблюдений в сейсмичных регионах показана в работе [Mei Shirong, 1992].
Однако, физическая природа СВЭТП, процессы генерации и распространения этих сигналов, изучены далеко недостаточно, особенно с количественной

стороны. Поэтому остаются неизвестными и необходимые для прогноза количественные характеристики связи СВЭТП с глубинными динамическими процессами.
Экспериментальное изучение СВЭТП затруднено недоступностью для измерений параметров среды и сигналов на литосферном участке их трассы, а также ослаблением сигналов с ростом эпицентрального расстояния.
Более того, диапазоны частот различных ионосферных пульсаций совпадают с диапазонами магнитных сигналов литосферного происхождения. Идентификация последних среди всех измеряемых (ионосферных, грозовых, промышленных) электромагнитных возмущений - трудная проблема на сегодняшний день, что само по себе указывает на необходимость численного изучения специфических черт литосферных. эм-сигналов, например, возмущений геотермического поля, сопровождающих, как и литосферные эм-сигналы, сейсмическую активизацию, но не появляющихся при ионосферной активизации.
Так как в лаборатории "горные породы не могут моде,пировать самих себя в естественных условиях" из-за невозможности выполнения условий подобия по основному набору физических свойств материала и характеристик полей, то в лабораторных измерениях предвестников разрушения или неустойчивых подвижек с трением (stick-slip) используют смолы, бетон, мрамор, другие материалы-модели, в том числе с искусственными (следовательно, зависящими от инструмента) срезами [Соболев, 1993]. Трудно исследовать и изменять влияние на чувствительные датчики откликов на нагрузку самой установки (резонансы, пьезо-отклики, условия на краях), при этом прессы представляют собой сооружения высотой в несколько этажей (ИФВД РАН).
Ограниченные возможности натурных и лабораторных измерений, сложное строение сейсмичных сред, взаимосвязанность (комплексность) протекающих в них процессов различной природы, делают необходимыми расчеты сейсмогенного

возмущения электромагнитных и тепловых полей (СВЭТП) в модельных неоднородных геосредах, т. е. расчеты изменений упругого, эм- и т-полей, вызванных нарушением конфигурации упругого поля модельной геосреды. Расчеты полей в модельных неоднородных асейсмичных (статичных) средах многое дали для выяснения их строения по измерениям полей, включая и выбор модели, оптимальной по критерию близости рассчитанного для нее поля к измеренному. Не вызывает сомнения, что расчет физических полей в модельных геосредах, находящихся под действием нестационарных деформаций, также помогут выяснению сложного строения сейсмичных зон литосферы и прольют свет на ироиходящие в них нестационарные процессы.
Данная работа посвящена расчету возмущений а«- и т-полей, возникающих под действием глубинных деформаций в модельных неоднородных геосредах с низкоомныш структурами.
Ставится задача:
изучить численно и графически связь (соответствие) между глубинной деформацией модельной геосреды и эм~, т-пожми у ее поверхности, включая:
1) построение и обоснование математической модели и методов расчета нелинейного .механо-эм-т преобразования и взаимодействия полей в неоднородной геосреде с низкоомными структурами в качестве механо-эм-т преобразователей',
2) численное определение и наг,шдное представление (визуализация) взаимодействующих нестационарных полей - упругого, эм-, т - от зарождения до выхода в атмосферу (вмючительно) по трассе в неоднородной области.
Ввиду многообразия геосред и их тектонических режимов нет оснований предполагать, что существует какой-либо единый для всех сред механизм сейсмогенной генерации эм- и т-полей. Однако в данной работе рассматривается лишь генерация эм- и т-полей при сейсмогенной деформации низ-

электрическая проницаемость вакуума, а ег - относительная диэлектрическая проницаемость,|є |<10 для большинства пород.
Ток смещения дЪ/дХ можно оценить следующим способом;
ав/вг и /|8е||Я|,
где / « 1 Гц - типичная частота дм рассматриваемых ниже геофизических
полей (сверхнизкая частота). Следовательно, ток смещения прнебрежшю тл

по сравнению с током проводимости о , поскольку дм рассматривает ниже пород |ое| > 0.0001 См/м. Следовательно, приближенно
Ч’-Я = У (3.9)
Отсюда следует, что ч-у=о, а потому, согласно закону сохранения заряда *♦
/аХ+ч-у - о, плотность заряда постоянна во времени. Мы будем считать ее равной нулю, т.е. предполагать,что среба. электрически нейтральна:
Р9 = 0.
Теперь подставим в (3.9) вместо у выражение (3.8) с ре= о, умножим результат на о~] а затем подействуем на него оператором :
_1 -* “* -* -* -* л
9*(о 'ч*Н) - ч*{ее У) = ?*Е + ч*(и*В) + 9х(-ае'(тг0)).
Используя для выражение из другого уравнения Максвелла (обобщенный закон Фарадея)
Ч*Е = -дВ/дХ,
окончательно получаем уравнение, описывающее эволюцию магнитного поля: