Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции

У результаті обробки даних японських геомагнітних обсерваторій з інтенсивними завадами встановлено, що вектор індукції виявляє часові варіації, викликані змінами геомагнітної активності тоді, коли амплітуда середнього за інтервал обробки магнітотелуричного поля зіставна з амплітудою завад. Вивчено ч...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Рокитянский, И.И., Бабак, В.И., Терешин, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2015
Schriftenreihe:	Геофизический журнал
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103740
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции / И.И. Рокитянский, В.И. Бабак, А.В. Терешин // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 86-98. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-103740
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1037402016-06-24T03:02:37Z Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции Рокитянский, И.И. Бабак, В.И. Терешин, А.В. У результаті обробки даних японських геомагнітних обсерваторій з інтенсивними завадами встановлено, що вектор індукції виявляє часові варіації, викликані змінами геомагнітної активності тоді, коли амплітуда середнього за інтервал обробки магнітотелуричного поля зіставна з амплітудою завад. Вивчено частотні характеристики цих часових варіацій для різних обсерваторій. Для обсерваторій, близьких до залізниць, що живляться постійним струмом, часові варіації охоплюють діапазон від одиниць до 1000 і більше секунд. В інших випадках ці варіації з'являються на більш коротких періодах. Induction vector has temporal variations caused by changes of geomagnetic activity when the average amplitude of the MT-field is comparable to noise amplitude. Frequency characteristics of these temporal variations are studied for several Japanese observatories. Temporal variations cover a range from units to 1,000 and more seconds on observatories situated close to railways, powered by direct current. In other cases, these variations appear on shorter periods. 2015 Article Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции / И.И. Рокитянский, В.И. Бабак, А.В. Терешин // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 86-98. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0203-3100 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103740 550.3 ru Геофизический журнал Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	У результаті обробки даних японських геомагнітних обсерваторій з інтенсивними завадами встановлено, що вектор індукції виявляє часові варіації, викликані змінами геомагнітної активності тоді, коли амплітуда середнього за інтервал обробки магнітотелуричного поля зіставна з амплітудою завад. Вивчено частотні характеристики цих часових варіацій для різних обсерваторій. Для обсерваторій, близьких до залізниць, що живляться постійним струмом, часові варіації охоплюють діапазон від одиниць до 1000 і більше секунд. В інших випадках ці варіації з'являються на більш коротких періодах.
format	Article
author	Рокитянский, И.И. Бабак, В.И. Терешин, А.В.
spellingShingle	Рокитянский, И.И. Бабак, В.И. Терешин, А.В. Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции Геофизический журнал
author_facet	Рокитянский, И.И. Бабак, В.И. Терешин, А.В.
author_sort	Рокитянский, И.И.
title	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
title_short	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
title_full	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
title_fullStr	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
title_full_unstemmed	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
title_sort	влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103740
citation_txt	Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции / И.И. Рокитянский, В.И. Бабак, А.В. Терешин // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 86-98. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Геофизический журнал
work_keys_str_mv	AT rokitânskijii vliâniegeomagnitnojaktivnostinarezulʹtatyvyčisleniâvektoraindukcii AT babakvi vliâniegeomagnitnojaktivnostinarezulʹtatyvyčisleniâvektoraindukcii AT terešinav vliâniegeomagnitnojaktivnostinarezulʹtatyvyčisleniâvektoraindukcii
first_indexed	2025-07-07T14:16:59Z
last_indexed	2025-07-07T14:16:59Z
_version_	1836998008384782336
fulltext	И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 86 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Введение. В предшествующих работах [Ба- бак и др., 2013; Рокитянский и др., 2013; 2015] авторы пытались использовать временные ва- риации функций отклика (response functions — RF) в качестве перспективного предвестника землетрясений, однако столкнулись со следую- щими фактами: 1) вариации RF, появляющиеся перед земле- трясением и, следовательно, являющиеся воз- можным кандидатом быть предвестником, на- блюдаются неупорядоченно в отдельных ком- понентах Au, Bu, Av, Bv и на различных частотах, тогда как при изменениях электропроводности Земли должны наблюдаться вполне определен- ные частотно-компонентные зависимости; 2) обнаружено, что полученные/наблюдае- мые вариации RF на отдельных компонентах на некоторых частотах некоторых обсервато- рий хорошо коррелируют с изменениями гео- магнитной активности, причем коэффициент корреляции может изменяться во времени. Столь же незакономерно ведут себя пе- риодические вариации, в первую очередь, го- довые, по которым получен значительный ма- териал, но природа этих вариаций не понята. По суточным, одиннадцатилетним и месячным вариациям данные наблюдений весьма ограни- чены и природа также не ясна. Таким образом, возможные предвестники землетрясений по- являются на фоне сильных помех и вариаций различной природы, что делает их использова- ние для прогноза труднодостижимым. УДК. 550.3 Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции © И. И. Рокитянский, В. И. Бабак, А. В. Терешин, 2015 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 18 сентября 2015 г. Представлено членом редколлегии В. Н. Шуманом У результаті обробки даних японських геомагнітних обсерваторій з інтенсивними завада- ми встановлено, що вектор індукції виявляє часові варіації, викликані змінами геомагнітної активності тоді, коли амплітуда середнього за інтервал обробки магнітотелуричного поля зі- ставна з амплітудою завад. Вивчено частотні характеристики цих часових варіацій для різних обсерваторій. Для обсерваторій, близьких до залізниць, що живляться постійним струмом, часові варіації охоплюють діапазон від одиниць до 1000 і більше секунд. В інших випадках ці варіації з’являються на більш коротких періодах. Ключові слова: електромагнітні функції відгуку, вектори індукції, електропровідність лі- тосфери, геомагнітна активність, магнітотелуричне поле. Вместе с тем сами вариации RF представля- ют собой интересное геофизическое явление, своего рода новый информационный канал о процессах во внутренних и внешних геосфе- рах, а также имеют важный практический аспект, накладывая ограничение на точность геоэлектрических исследований земных недр. Поэтому в настоящей статье мы отходим от нацеленности на поиск предвестников земле- трясений в сейсмически активных регионах, а начинаем изучать явление изменчивости RF во всем его многообразии во всех регионах, накапливаем базу данных наблюдений и их обработки и проводим сопоставления (поиск корреляционных связей) с различными геофи- зическими и астрономическими явлениями с конечной задачей объяснить природу явлений и на новом уровне применить новые знания для прикладных задач того же прогноза зем- летрясений и других возможных приложений. Описание сигнала и помех. Еще ранее мы неоднократно наблюдали корреляцию вариа- ций RF с геомагнитной активностью и эпизо- дически вычисляли коэффициент корреляции (КК) между вариациями RF и Kp-индексом. Для некоторых составляющих для отдельных частот на некоторых обсерваториях получены значительные (КК > 0,6÷0,7) величины коэффи- циента корреляции. Можно полагать, что зависимость RF от гео- магнитной активности обусловлена изменени- ем соотношения амплитуд источников различ- ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 87 ной конфигурации, которым соответствуют различные значения RF. Рассмотрим простей- ший случай наложения двух источников поля с различной конфигурацией. Пусть это будет: 1) магнитотеллурическое поле ионосферно- магнитосферных токов — МТ-поле — сигнал (S-signal), полезный для исследования глубин- ной электропроводности; 2) поле помех (N — noise) от некоторого ло- кального источника. Идеализированная модель S — это модель Тихонова—Каньяра (Т-К), вертикально падаю- щая электромагнитная (ЕМ) волна. Фактически МТ-поле всегда содержит некоторую часть, не удовлетворяющую условию Т-К, что уже вносит погрешность (иногда, по-видимому, небольшую по сравнению с погрешностью от помех). Идеализированная модель N — это ло- кальный источник неизменной конфигурации, например заземленный электрический диполь или линия конечной длины. Наиболее сильные помехи возникают от железных дорог с пита- нием постоянным током. При этом заземления могут двигаться вместе с поездом, что изменяет конфигурацию источника, однако обычно RF определяются не чаще одного раза в сутки, а среднесуточное движение поездов относитель- но стабильно (правда, возможна недельная ва- риация от изменения движения в выходные дни). Фактически N является суммой многих источников различной конфигурации, и они могут иметь существенно различные RF, на- пример источники электрического или маг- нитного типа в ближней зоне. Для идеализи- рованных источников S и N представим себе две ситуации: 1) S доминирует на длинных периодах (до- пустим, более 2000 с), куда промышленные по- мехи как правило не проникают, при этом RF принимают неискаженное значение RFS; 2) N доминирует на коротких периодах, осо- бенно при низкой геомагнитной активности — малом S и тогда обработка может дать RF, присущую полю данной помехи — RFN . При увеличении геомагнитной активности сигнал S становится сопоставим с помехой N и RF принимает промежуточные значения между RFN и RFS. Итак, если отношение S/N изменяется вследствие изменения геомагнит- ной активности, то RF также будет изменяться, однако эти изменения не несут полезной ин- формации, а только мешают, и их желательно исключить. Проиллюстрируем изложенное на конкретном примере обработки одной из наиболее зашумленных обсерваторий Япо- нии UCU, находящейся в 5 км от железной дороги с электропитанием постоянным током (рис. 1, б). Характер помех можно посмотреть на копиях магнитограмм, опубликованных в работе [Рокитянский и др., 2015, см. рис. 2], где представлен 20-часовой интервал 1.03.2011 во время геомагнитной бури. Запись с понижен- ной чувствительностью, однако на ней хорошо видно исчезновение сильных помех на самых зашумленных обсерваториях UCU и КNZ в по- слеполуночные часы, различное соотношение между компонентами и в KNZ и UCU: пер- вая находится восточнее ближайшей железной дороги — помеха преобладает в , вторая — примерно севернее, и помеха преобладает в . На обсерваториях ESA и MIZ наблюдаются более высокочастотные помехи, и они не ис- чезают ночью. В работе [Рокитянский и др., 2013, см. рис. 2] дана более чувствительная за- пись с большой разверткой, на которой хоро- шо виден характер помех на всех упомянутых обсерваториях в 18 ч местного времени, когда движение поездов максимально. В настоящей статье на рис. 2 представлены магнитограммы за 24 февраля 2011 г., когда среднесуточный -индекс был всего 0,34, МТ-поле было слабое и запись удалось представить с высокой чув- ствительностью. Был выбран интервал через 20 мин после местной полуночи (15 ч UT), когда движение поездов резко уменьшается и после 16 ч UT прекращается до утра. С 15.20 до 16.10 на KNZ и UCU видны помехи с периодом от 30 до 300 с, особенно интенсивные на вертикаль- ной компоненте. Они не идентичны на этих двух станциях, а различаются по амплитуде и поляризации. В 16 ч на Bz видно интенсивное «отключение» помехи: почти полное на UCU и частичное на KNZ, где кроме интенсивной помехи с периодом порядка минут стала чет- ко видна круглосуточная высокочастотная им- пульсная помеха (с амплитудой порядка 0,1 нТл на всех компонентах и обсерваториях) такого же характера, как на ESA и MIZ. Можно пред- положить одинаковый источник этой помехи на разных станциях, но сами источники раз- ные, на что четко указывает отсутствие син- хронности появления помехи на близлежащих (19 км) обсерваториях ESA и MIZ. На верхнем графике рис. 1, а даны резуль- таты обработки данных UCU, полученные формально без попытки отбраковать зашум- ленные интервалы. На периодах > 1000 с раз- брос результатов небольшой, помехи неве- лики, частотная характеристика и поведение векторов на близлежащих обсерваториях (см. И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 88 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Рис. 1. Пример обработки по программе Варенцова самой зашумленной японской обсерватории UCU: а — результаты определения реальной (in-phase) северной компоненты вектора индукции (в качестве RF) тремя способами обработки по данным 20-дневного интервала перед мегаземлетрясением Тохоку 11.03.2011. Средний рисунок получен по данным четырех послеполуночных часов, когда помехи от электропоездов отсутствуют. Верхний и нижний рисунки получены обработкой трехдневных интервалов с отнесением результата к среднему дню. Верхний рисунок получен только по дан- ным UCU (ss — single station), нижний — с использованием горизонтальных компонент удаленной на 120 км референтной обсерватории KAK (rr — remote reference). Таблица вверху дает условные обозначения кривых, дату и среднесуточный -индекс для каждого дня; б — верхний рисунок — геомагнитные обсерватории на восточном и южном побережьях Японии с реальными векторами индукции u для периода 30 мин. Два нижних рисунка — реальные u и мнимые Cv векторы индукции на четырех станциях (включая UCU) п-ова Босо (курортный пригород Токио) для короткого = 25 с (N>S) и длинного = 4000 с (S > N) периодов. Серым фоном дан Тихий океан с заливами, жирной прерывистой линией даны железные дороги. ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 89 Рис. 2. Синхронная запись восьми обсерваторий близ восточного и южного побережий Японии (см. верхнюю карту рис. 1, б) за 100 послеполуночных минут, когда движение поездов с питанием постоянным током прекращается. Вы- бранный день отличается низкой геомагнитной активностью = 0+. И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 90 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 рис. 1, б, низ) приблизительно одинаково и соответствует известным аномалиям электро- проводности. На более коротких периодах на- блюдается большой разброс, максимальный в интервале 50—300 с, на периодах короче 50 с разброс уменьшается. Следует отметить, что вектор индукции длиной 2 и более наблюдается в природе весьма редко, и здесь на п-ове Босо не видны структуры, соответствующие полу- ченному вектору. Здесь векторы на коротких периодах направлены в сторону близлежащих участков железной дороги (рис. 1, б, средняя карта) и обусловлены в основном помехами от нее. На среднем графике рис. 1, а дана об- работка по ночным интервалам без помех от движения поездов. Малая длина использован- ных реализаций (4 ч) не обеспечивала высокой точности обработки, тем не менее при умень- шении периода по всем дням видно вполне со- гласное уменьшение u к значениям, близким к нулю. На нижнем графике даны результаты обработки с использованием методики ремоут- референс (rr), которая хорошо срабатывала при высоком отношении S/N, наблюдаемом в ин- тервалы с высокой геомагнитной активностью. При пониженной активности помехи могли преобладать, что и видно на графике МТ-поля и помех, причем наблюдается следующая тен- денция: с увеличением геомагнитной активно- сти и амплитуды МТ-поля (увеличивающейся с ростом периода) отношение полезного сигнала к помехам увеличивается и RF приближается к своему истинному уровню, соответствующему мгновенному распределению электропровод- ности внутри Земли. Состав и структура наблюдаемого геомаг- нитного поля. Представим состав наблюдаемо- го на обсерваториях геомагнитного поля в виде формулы с акцентом на те свойства, которые влияют на формирование RF: = + + + , где B =В +В +B — поле первично внешнего относительно твердой Земли проис- хождения от токов в ионосфере и магнитос- фере + вторичные поля, индуцированные этим полем в проводящих слоях твердой и жидкой геосфер; B — нормальная часть магнитотеллури- ческого поля, удовлетворяющая модели Т-К, т. е. условию частотного зондирования [Ва- ньян, 1997], когда характерный размер поля внешнего источника намного больше толщи- ны скинслоя в проводящей Земле. Последний с увеличением периода вариаций растет и часть поля, не удовлетворяющая условию частотного зондирования, увеличивается; В — часть внешнего поля, не удовлет- воряющая условию частотного зондирования. Она вносит погрешность при вычислении RF; B — часть внутреннего индуцированного внешними источниками поля, вызванная пе- рераспределением токов неоднородностями проводящих геосфер. Эта часть используется в методе МВП, именно по ней определяются геомагнитные RF — вектор индукции = i + Bj и тензор М. Следует подчеркнуть, что эти RF правильно отражают свойства аномалий элек- тропроводности только тогда, когда исполь- зуется поле В . Поле B и все остальные члены вносят погрешность, поскольку их кон- фигурация не соответствует модели Т-К; N — электромагнитные помехи от всевоз- можных, как правило, локальных источников. Это в основном поля устройств, созданных человеком: электрифицированные железные дороги, заземления линий электропередач, за- земленные электродвигатели, радиостанции, катодная защита трубопроводов и т.п., а также близкие молниевые разряды и другие. Они, как правило, характеризуются закономерностями ближней зоны [Ваньян, 1997]. Для перечислен- ных выше источников электрические компо- ненты существенно превалируют над магнит- ными (по сравнению с МТ-полем). Если же наземным источником является перемещение ферромагнитных тел (например, транспорта на расстоянии менее 1 км от пункта наблюдения), незаземленная или вдали от заземлений линия электропередач, то преобладают магнитные компоненты. В первом случае импеданс будет завышен, во втором занижен, т. е. RF будут ис- кажены в обоих случаях; B — литосферная эмиссия полей есте- ственного происхождения с широчайшим спектром [Гулельми, 2007; Шуман, 2007; 2015; Surkov, Hayakawa, 2014]. Эти поля несут уни- кальную информацию о земных недрах и о процессах, в них происходящих. Изучение ЛЭ находится в начальной стадии как в части накопления данных наблюдения, так и в ча- сти их понимания. С позиций классической электродинамики многие свойства не находи- ли объяснения, и достоверность результатов наблюдения или их связь с геодинамическими процессами ставилась под сомнение. В послед- нее время появились нетрадиционные подхо- ды [Гулельми, 2007; 2015; Шуман, 2007; 2015; Surkov, Hayakawa, 2014] объяснения литосфер- ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 91 ной эмиссии с привлечением сейсмоэлектри- ческого и сейсмомагнитного эффектов, элек- трокинетических и других явлений, которые преобразовывают механические колебания, течения, напряжения в ЕМ-поля и переносят их в зону наблюдений на или близ поверхности Земли; B — все остаточные (residual) поля, влия- ния, факторы, вносящие ошибки в определе- ния RF и не учтенные ранее. Далее перейдем к более конкретному рас- смотрению одной из геомагнитных RF — век- тору индукции. Здесь следует отметить не- сколько противоречивый характер его опре- деления. Модель Т-К подразумевает падение плоской волны на горизонтально-слоистую Землю. На самом деле поле всех ионосферно- магнитосферных источников изменяется в зависимости от широты и долготы и имеет свой переменный во времени и пространстве спектр (его сложность и нерегулярность от- части иллюстрирует рис. 3). Однако большая часть МТ-поля, особенно в магнитоспокойные интервалы в средних широтах, характеризует- ся малыми пространственными градиентами, и на участках с поперечником до тысячи ки- Рис. 3. Изменчивость амплитуд трех компонент геомагнитного поля на пяти обсерваториях Японии до и после земле- трясения Тохоку 11.03.2011 (момент землетрясения отмечен вертикальной пунктирной линией) для четырех периодов, полученная путем спектрального анализа 1 с записей поля длиной 1 сутки с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). На нижнем графике даны среднесуточные значения трехчасовых -индексов. И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 92 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 лометров поле можно принять за однородное с относительно небольшой ошибкой. За счет высокой электропроводности жидких и твер- дых геосфер это поле преломляется и диффун- дирует вертикально вглубь Земли (модель Т-К). На самом деле верхние геосферы насыще- ны разномасштабными контрастами электро- проводности: океаны и континенты — глобаль- ный масштаб, осадочные бассейны и кратоны, моря и крупные острова/полуострова — регио- нальный масштаб, рифты, геосинклинали, не- которые линеаменты и более мелкие объекты условно назовем локальными объектами. И все они взаимосвязаны — одни переходят в другие. Для упрощения рассматривается идеализация: локальная аномалия окружена со всех сторон одинаковой горизонтально-слоистой средой и считается, что ЕМ-индукция происходит в однородной горизонтально-слоистой Земле, а на локальной аномалии индуцированные токи перераспределяются кондуктивным образом. Преобладание кондуктивного механизма над вихревым на локальных аномалиях наблюдает- ся, но в каких пределах? И какую ошибку (при определении электропроводности) для различ- ных геоэлектрических ситуаций дает отклоне- ние реальной структуры от идеализированной модели? Никто этого не оценивал. Резюмируя изложенное, следует считать, что представле- ние о том, что при выполнении условия частот- ного зондирования вертикальная компонента МТ-поля близка к нулю, является экзотиче- ским/исключительным и практически редко встречается. Практические примеры. Для проверки этого утверждения и характеристики измен- чивости структуры наблюдаемого поля был вы- полнен детальный анализ односекундных запи- сей. Спектральным анализом были выделены периоды 12,5, 25, 50, 100, 200, 500, 1 000, 2 000, 4 000, 8 000 с, а иногда 8 и 12 000 с. После их ана- лиза оказалось, что основные результаты мож- но проиллюстрировать (см. рис. 3) на четырех периодах (в целях экономии места). Амплитуда МТ-поля должна описываться изменениями - индекса, хотя при рассмотрении рис. 3 следует иметь в виду, что амплитуды даны в линейной шкале, а — квазилогарифмическая оценка амплитуды. На рис. 3 суммарная амплитуда полного наблюдаемого поля В(Т) лучше всего следует за изменениями на самом длинном периоде 7200 с, что совершенно естественно, поскольку определяется по максимально- му изменению поля за трехчасовой интервал. Крайние обсерватории MMB и KNY разнесены на 1812 км (по широте на 1386 км) и на такой площади МТ-поле иногда может быть более менее однородным, что в целом и наблюдает- ся, но со многими отклонениями, особенно во время геомагнитных возмущений. Эти откло- нения свидетельствуют о сложном нерегуляр- ном поведении как МТ-поля, так и наложенных локальных полей, включая и такой интересный потенциальный предвестник, как литосферная эмиссия. Рассмотрим рис. 3 более детально. С увеличением периода от 80 до 7200 с амплитуда вариаций увеличивается при- мерно на два порядка. Для геомагнитных вариаций — это хорошо известный факт. Помехи, наоборот, с уменьшением пери- ода в основном растут в данном частот- ном диапазоне. Для самой зашумленной обсерватории KNZ (дана самой бледной линией) амплитуда измеренного поля в 2—5 раз больше, чем на других обсерва- ториях на периоде 80 с, в возмущенные интервалы с высоким этот коэффици- ент уменьшается и по его приближению к единице можно определить амплитуду по- мехи. Она максимальна на компонентах z и . Все эти черты прослеживаются и на периоде 500 с. Изменения -индекса геомагнитной ак- тивности сопровождаются изменением амплитуд, записанных на рассматривае- мых обсерваториях, но с многочисленны- ми нерегулярностями, так что коэффи- циент корреляции на коротких периодах совсем мал, а на длинных не превышает значений 0,5—0,6 (рис. 4). Перед землетрясением Тохоку и после него уровень поля на всех обсерваториях заметно увеличился: сильнее всего и на всех периодах на восточной компоненте , слабее и только после землетрясения (афтершоковая активность?) — на . На Bz изменения уровня вообще не на- блюдаются. Понятно, что это изменение ионосферно-магнитосферного источни- ка. Но оно началось за 10 дней до земле- трясения и продолжалось более месяца после него. Формально по временному совпадению можно его назвать предвест- ником и реакцией на афтершоки. В свете последних данных [Прогноз…, 2014] пред- положение о локализации предвестника в околоземном пространстве может быть рассмотрено. Характерный случай был получен для об- серватории KYS (местоположение см. на ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 93 рис. 1, б). Односекундные данные KYS были получены только за неполный 2001 г. В марте — апреле наблюдались особенно сильные геомаг- нитные бури, чередовавшиеся со спокойными интервалами. На рис. 5 представлены резуль- таты обработки в режиме одной станции (ss) круглосуточных данных с интенсивными по- мехами от электропоездов. Частотные харак- теристики всех компонент вектора индукции четко разделяются на две группы. При очень высокой геомагнитной активности ( больше 4) все компоненты вектора индукции почти со- впадают в интервале периодов больше 30 с с результатами обработки только ночных 4-ча- совых интервалов, представленных на рис. 5 облаком серых линий. Следовательно, во время очень сильных бурь помехи не сильно влия- ют на определение RF. При уменьшении до 3 и менее помехи доминируют на периодах 20—200 с (на компоненте А) или 20—500 с (на компоненте В) и разворачивают вектор индук- Рис. 4. Коэффициент корреляции между среднесуточным значением -индекса и спектральными амплитудами ком- понент геомагнитного поля на 5 обсерваториях Японии, представленных для четырех периодов на рис. 3. ции в сторону ближайшей железной дороги, как это показано на рис. 1, б для периода 25 с. На периодах короче 20 с компоненты вектора индукции, полученные по ночным и полно- суточным данным, расходятся, т. е. вступают в действие другие соотношения МТ-сигнала и помехи, о которых по имеющимся данным трудно сделать определенные выводы. Можно только отменить, что это соотношение в ноч- ные часы и в полные сутки не одинаково. На рис. 6 даны коэффициенты корреляции компонент вектора индукции с -индексом в двух вариантах. Оказалось, что при осреднении -индекса за 3 дня (равному длине реализаций для обработки) КК существенно изменился по сравнению с таковым для среднесуточного и для периода 100 с и короче превысил значе- ние 0,8 (рис. 6, а). Так получилось только для исключительно контрастного по геомагнитной активности интервала с сильнейшими бурями длительностью всего 13 дней. При «разбавле- нии» этого интервала еще 29 днями (рис. 6, б) КК при качественном сохранении тенденций количественно заметно изменился. Главная тенденция состоит в том, что на длинных пе- риодах 500—10000 с МТ-сигнал доминирует над помехами, при этом RF почти не зависят от геомагнитной активности и КК незначителен, хотя и содержит мелкие выскоки, порождае- мые сложностью самого МТ-поля. На коротких периодах 10—100 с МТ-сигнал и помехи сопо- ставимы, КК не мал и ведет себя относительно закономерно, что дает надежду на возможность введения в RF поправки по данным вычислен- ного КК. На рис. 7 даны КК компонент вектора индукции и -индекса двух обсерваторий. В KNZ на коротких периодах КК мал и можно полагать, что помехи значительно больше МТ- сигнала даже при наиболее сильных бурях в течение рассматриваемых четырех месяцев с не более 4. На более длинных периодах 100 – 2000 с КК имеет максимум — помехи и МТ- сигнал сопоставимы, на больших периодах сиг- нал доминирует. Максимум КК для восточной компоненты Bu наступает на более длинном пе- риоде, чем для Au, что соответствует сильному искажению именно Bu и объясняется располо- жением обсерватории на восток от ближайшей железной дороги. На KAK коэффициент корреляции макси- мален на коротких периодах 20—50 с для вос- точной компоненты и постепенно уменьшается с увеличением периода. Обсуждение. RF введены в геоэлектрике как вспомогательная промежуточная величина на И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 94 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 пути от измерения электромагнитных полей к познанию распределения электропроводности σ(r) внутри Земли. При их введении исполь- зуются различные идеализированные модели, приближенно описывающие реальную ситуа- цию. В идеале RF должна быть однозначной функцией σ(r), однако при измерениях запи- сывается не только идеализированное модель- ное поле, на использовании которого построена теория метода, но и целый ряд других полей, Рис. 5. Результаты обработки односекундных записей обсерватории KYS в режиме одной станции: тонким пунктиром даны результаты обработки трехдневных интервалов с отнесением результата к среднему дню за период 01.03—29.03.2001, жирными линиями выделены 13 дней, наиболее контрастных по геомагнитной возмущенности 30.03—11.04.2001. Се- рыми линиями даны результаты обработки 60 послеполуночных четырехчасовых интервалов с минимумом помех от движения поездов. В таблице приведены -индексы для каждого дня. Март 2001 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 1+ 2 3 3+ 3 2 2 2– 2– 1+ 1 2 2 2– 0+ 0+ 1 2– 4– 6– 2– Апрель 2001 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 2 4 2+ 1+ 1 3+ 4+ 3+ 3– 8– 4+ 4– 2– 3 3+ 3– 3+ 5 3+ 2+ 5– ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 95 являющихся помехами. В настоящей статье на конкретном материале перегруженных помеха- ми японских обсерваторий изучалась зависи- мость вектора индукции (RF) от геомагнитной активности, характеризуемой -индексом. Оказалось, что такая зависимость наблюдается тогда, когда средняя амплитуда идеализирован- ного модельного МТ-поля и помехи сопостави- мы. При мониторинге это создает трудность для выделения изменений RF, связанных с гео- динамикой. Ее можно минимизировать за счет снижения разрешающей способности монито- ринга, поскольку современные методы обра- ботки позволяют в значительной мере подавить влияние помех и определить RF, отражающую σ(r). При доминировании помех над МТ-полем, наблюдаемом на некоторых обсерваториях на периодах в десятки и сотни секунд, RF может полностью потерять связь с электропровод- ностью. Однако и в этом случае есть выход: изучить структуру поля помехи и развить для нее теоретическую модель для определения σ(r) — но уже только верхних горизонтов, куда про- никает поле помехи. На рис. 8 представлены временные вариа- ции компонент вектора индукции на базисной Рис. 6. Коэффициент корреляции компонент вектора индукции на обсерватории KYS (обрабатывались трехдневные интервалы с отнесением результата к среднему дню) со среднесуточным (показан ломаной линией с кружками) и сред- ним за трое суток (показан квадратами) значениями -индекса: а — по данным за 13 дней 30.03—11.04.2001, б — по данным за 42 дня 01.03—11.04.2001. Рис. 7. Коэффициент корреляции компонент вектора ин- дукции с -индексом на обсерваториях KAK (а) и KNZ (б) по данным обработки трехдневных интервалов с от- несением результата к среднему дню за первые 4 месяца 2011 г. И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 96 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Рис. 8. Временная изменчивость компонент вектора индукции на периоде 200 с на обсерватории Kakioka (KAK) до и после землетрясения Тохоку с 01.01.2011 по 30.04.2011, полученная тремя способами: ss, rr KAK/ESA (обработка трех- дневных интервалов с отнесением результата к среднему дню), ss (четырех послеполуночных часов с минимумом помех). ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ... Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 97 обсерватории КАК для периода 200 с. Обра- ботка по данным одной станции (ss) дает очень интенсивные вариации, которые хорошо кор- релируют с -индексом: с понижением гео- магнитной активности все компоненты откло- няются вниз, во время бурь они поднимаются к некоторому стабильному уровню 0,4 для Au, –0,15, для Bu, 0,2 для Av и –0,05 для Bv. Вокруг этих уровней располагаются результаты об- работки rr, обработка только ночных данных дает значительно больший разброс. Таким образом, применение rr в данном случае дает существенное уменьшение влияния геомагнит- ной активности. Однако связывать оставшиеся вариации компонент вектора индукции только с электропроводностью нет оснований. Выводы. 1. Обобщены и формализованы составляющие регистрируемого на обсервато- риях геомагнитного поля: МТ-поле, состоящее из первичных однородной и неоднородной ча- стей внешнего поля, вторичного внутреннего однородного и неоднородного на локальных и региональных неоднородностях поля, а также помехи и литосферная эмиссия. 2. В результате просмотра большого объема данных выбраны обсерватории с интенсивны- ми помехами и интервалы записи с резкими контрастами геомагнитной активности. В ре- зультате их обработки установлено, что вектор индукции обнаруживает временные вариации, вызванные изменениями геомагнитной ак- тивности тогда, когда амплитуда среднего за интервал обработки МТ-поля сопоставима с амплитудой помех, причем эти вариации тем интенсивнее, чем интенсивнее/контрастнее вариации геомагнитной активности. 3. Изучены частотные характеристики этих временных вариаций для различных обсерва- торий. Для обсерваторий, близких к желез- ным дорогам, питаемым постоянным током, временные вариации охватывают диапазон от единиц до 1000 и более секунд. В других случа- ях эти вариации появляются на более коротких периодах или совсем незаметны. Результаты обработки весьма нестабильны, они зависят от многих трудноконтролируемых факторов, таких как временная изменчивость помех и появление аномальной неоднородной части внешнего первичного источника. Различие поляризаций этих факторов может обуславли- вать блуждание вариаций с одних компонент на другие. Бабак В. И., Климкович Т. А., Рокитянский И. И., Тере- шин А. В. Вариации вектора индукции в Японии. Геофиз. журн. 2013. Т. 35. № 1. С. 153—158. Ваньян Л. Л. Электромагнитные зондирования. Мо- сква: Научный мир, 1997. 219 с. Гульельми А. В. Ультранизкочастотные волны в коре и в магнитосфере Земли. Успехи физ. наук. 2007. Т. 177. № 12. С. 1257—1276. Гульельми А. В. Форшоки и афтершоки сильных землетрясений в свете теории катастроф. Успе- хи физ. наук. 2015. Т. 185. № 4. С. 415—429. Рокитянский И. И., Бабак В. И., Терешин А. В. Вариа- ции геомагнитных функций отклика в Японии. Геофиз. журн. 2015. Т. 37. № 4. С. 126—138. Рокитянский И. И., Трегубенко В. И., Бабак В. И., Список литературы Терешин А. В. Вариации компонент вектора ин- дукции и горизонтального тензора перед земле- трясением Тохоку 11 марта 2011 г. по данным японских геомагнитных обсерваторий. Геофиз. журн. 2013. Т. 35. № 3. С. 115—130. Шуман В. Н. О концептуальных основах диагности- ки и мониторинга геосистем. Геофиз. журн. 2015. Т. 37. № 4. С. 93—103. Шуман В. Н. Электромагнитные сигналы литосфер- ного происхождения в современных наземных и дистанционных зондирующих системах. Геофиз. журн. 2007. Т. 29. № 2. С. 3—16. Прогноз землетрясений возможен?! Под ред. С. А. Пулинца. Москва: Тровант, 2014. 144 c. Surkov V., Hayakawa M., 2014. Ultra and extremely low frequency electromagnetic fields. Japan: Springer, 486 p. И. И. РОКИТЯНСКИЙ, В. И. БАБАК, А. В. ТЕРЕШИН 98 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Geomagnetic activity impacts on the results of the induction vector calculations © I. I. Rokityansky, V. I. Babak, A. V. Tereshyn, 2015 Induction vector has temporal variations caused by changes of geomagnetic activity when the average amplitude of the MT-field is comparable to noise amplitude. Frequency characteristics of these temporal variations are studied for several Japanese observatories. Temporal variations cover a range from units to 1,000 and more seconds on observatories situated close to railways, powered by direct current. In other cases, these variations appear on shorter periods. Key words: electromagnetic response functions , induction vector, electrical conductivity of the lithosphere, geomagnetic activity, magnetotelluric field. References Babak V. I., Klimkovich T. A., Rokityansky I. I., Tere- shyn A. V., 2013. Variations of induction vector in Japan. Geofizicheskiy zhurnal 35(1), 153—158 (in Russian). Vanyan L. L., 1997. Electromagnetic soundings. Mos- cow: Nauchnyy Mir, 219 p. (in Russian). Guglielmi A. V., 2007. Ultra-low-frequency electro- magnetic waves in the Earth’s crust and mag- netosphere. Uspekhi fizicheskih nauk, 177(12), 1257—1276 (in Russian). Guglielmi A. V., 2015. Foreshocks and aftershocks of strong earthquakes in the light of catastrophe theory. Uspekhi fizicheskih nauk, 185(4), 415—429 (in Russian). Rokityansky I. I., Babak V. I., Tereshyn A. V., 2015. Varia- tions of geomagnetic response functions in Japan. Geofizicheskiy zhurnal 37(4), 126—138 (in Russian). Rokityansky I. I., Tregubenko V. I., Babak V. I., Tere- shyn A. V., 2013. Variations of induction vector com- ponents and horizontal tensor before the Tohoku earthquake of March 11, 2011 according to Japanese geomagnetic observatories data. Geofizicheskiy zhurnal 35(3), 115—130 (in Russian). Shuman V. N., 2015. On conceptual grounds of diagnos- tics and monitoring of geosystems. Geofizicheskiy zhurnal 37(4), 93—103 (in Russian). Shuman V. N., 2007. Electromagnetic signals of litho- spheric origin in modern surface and remote sound- ing systems. Geofizicheskiy zhurnal 29(2), 3—16 (in Russian). Earthquake prediction is possible?!, 2014. Ed. S. A. Pu- linets. Moscow: Trovant, 144 p. (in Russian). Surkov V., Hayakawa M., 2014. Ultra and extremely low frequency electromagnetic fields. Japan: Springer, 486 p.

Влияние геомагнитной активности на результаты вычисления вектора индукции

Institution

Ähnliche Einträge