Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент

Проаналізовано існуючі і нові підходи до аналізу спонтанної електромагнітної емісії, генерованої літосферою в широкому діапазоні частот. Розгляд проблемних і дискусійних питань її генерації й поширення, також деяких результатів польових експериментів дозволив підкрес-лити спільність і різницю методі...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геофизический журнал
Date:	2012
Main Authors:	Шуман, В.Н., Коболев, В.П., Старостенко, В.И., Буркинский, И.Б., Лойко, Н.П., Захаров, И.Г., Яцюта, Д.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2012
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97831
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент / В.Н. Шуман, В.П. Коболев, В.И. Старостенко, И.Б. Буркинский, Н.П. Лойко, И.Г. Захаров, Д.А. Яцюта // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 40-61. — Бібліогр.: 63 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860247029717925888
author	Шуман, В.Н. Коболев, В.П. Старостенко, В.И. Буркинский, И.Б. Лойко, Н.П. Захаров, И.Г. Яцюта, Д.А.
author_facet	Шуман, В.Н. Коболев, В.П. Старостенко, В.И. Буркинский, И.Б. Лойко, Н.П. Захаров, И.Г. Яцюта, Д.А.
citation_txt	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент / В.Н. Шуман, В.П. Коболев, В.И. Старостенко, И.Б. Буркинский, Н.П. Лойко, И.Г. Захаров, Д.А. Яцюта // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 40-61. — Бібліогр.: 63 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Геофизический журнал
description	Проаналізовано існуючі і нові підходи до аналізу спонтанної електромагнітної емісії, генерованої літосферою в широкому діапазоні частот. Розгляд проблемних і дискусійних питань її генерації й поширення, також деяких результатів польових експериментів дозволив підкрес-лити спільність і різницю методів природного імпульсного електромагнітного поля Землі та аналізу спонтанної електромагнітної емісії Землі, намітити контури і перспективи їх практич-ного використання. Existing and new approaches to the analysis of spontaneous electromagnetic emission generated by the lithosphere in the wide frequency range outlined lately have been analyzed in the article. Considerations of a set of problems and controversial topics of its generation and propagation and some results of field experiments permitted to accentuate the commonness and differences of methods of natural impulse electromagnetic field of the Earth measurements and analysis of spontaneous electromagnetic emission of the Earth, to outline the contours and perspectives of their practical application. В статье проанализированы существующие и наметившиеся в последнее время новые подходы к анализу спонтанной электромагнитной эмиссии, генерируемой литосферой в широком диапазоне частот. Рассмотрение ряда проблемных и дискуссионных вопросов ее генерации и распространения и некоторых результатов полевых экспериментов позволило подчеркнуть общность и различие методов естественного импульсного электромагнитного поля Земли и анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли, наметить контуры и перспективы их практического использования.
first_indexed	2025-12-07T18:37:54Z
format	Article
fulltext	В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 40 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 Введение. Цель настоящей публикации — дать систематическое и по возможности простое описание новой технологии геоэлек- трической разведки — метода анализа спон- танной электромагнитной эмиссии Земли (АСЭМЭЗ), источники которой расположены в земной коре. Актуальность разработки ме- тода определяется тем обстоятельством, что изучение электромагнитных сигналов лито- сферного происхождения открывает относи- тельно новый и перспективный канал полу- чения информации о строении и физических процессах литосферы. Как известно, в послед- ние годы этой проблеме посвящена довольно обширная литература, в которой отражены многие ее ключевые аспекты (см., например, публикации [Сурков, 2000; Гульельми, 2007; Шуман, 2012а, б] и цитируемые в них работы). Напомним также, что метод естествен- ного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), близкий или тождествен- ный методу АСЭМЭЗ по типу и диапазону регистрируемого сигнала, берет свое начало с классических работ А. А. Воробьева [Воро- УДК 550.837 Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент © В. Н. Шуман1, В. П. Коболев1, В. И. Старостенко1, И. Б. Буркинский2, Н. П. Лойко2, И. Г. Захаров2, Д. А. Яцюта1, 2012 1 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина 2 ООО «Юг-нефтегазгеология», Киев, Украина Поступила 10 мая 2012 г. Представлено членом редколлегии И. Н. Корчагиным Проаналізовано існуючі і нові підходи до аналізу спонтанної електромагнітної емісії, гене-рованої літосферою в широкому діапазоні частот. Розгляд проблемних і дискусійних питань її генерації й поширення, також деяких результатів польових експериментів дозволив підкрес-лити спільність і різницю методів природного імпульсного електромагнітного поля Землі та аналізу спонтанної електромагнітної емісії Землі, намітити контури і перспективи їх практич-ного використання. Existing and new approaches to the analysis of spontaneous electromagnetic emission generated by the lithosphere in the wide frequency range outlined lately have been analyzed in the article. Considerations of a set of problems and controversial topics of its generation and propagation and some results of field experiments permitted to accentuate the commonness and differences of methods of natural impulse electromagnetic field of the Earth measurements and analysis of spontaneous electromagnetic emission of the Earth, to outline the contours and perspectives of their practical application. бьев, 1970; 1980]. В статье проанализированы существующие и наметившиеся в последнее время новые подходы к анализу спонтанной по классификации В. Т. Левшенко [Левшен- ко, 1995] электромагнитной эмиссии, гене- рируемой литосферой в широком диапазоне частот. Рассмотрение ряда проблемных и дис- куссионных вопросов ее генерации и распро- странения и результатов ключевых полевых и лабораторных экспериментов позволило подчеркнуть общность и различие методов ЕИЭМПЗ и АСЭМЭЗ, наметить контуры и перспективы их практического использова- ния. Сложность и многоаспектность пробле- мы состоит в том, что пока не удается отраз- ить имеющийся эмпирический материал на одинаково разделяемой всеми специалистами аксиоматике. Не существует и модели геосре- ды, одинаково пригодной для описания всего спектра и разнообразия регистрируемых на земной поверхности излучений. Обычно предполагается, что среда — пас- сивный континуум и при описании спонтан- ной электромагнитной эмиссии к ней приме- МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 41 ним аппарат классической электродинамики сплошных сред. Однако само наличие акусто- сейсмоэлектромагнитной эмиссии свидетель- ствует о том, что геосреда является открытой неравновесной динамической системой с множеством самоорганизующихся структур. И для ее описания, строго говоря, необходи- ма несколько иная, модифицированная элект- родинамическая основа [Шуман, 2010а; 2011; 2012а, б]. При этом фракталы, дробные опе- раторы и скейлинг являются полезными ин- струментами, адаптированными к запросам геоэлектрической практики, но проблема ма- териальных уравнений электродинамики мо- жет оказаться весьма сложной. Мы полагаем, что результаты выполненных в последние годы полевых работ как на суше, так и на акваториях по регистрации спонтан- ного электромагнитного излучения указы- вают на наличие нового, весьма актуального объекта фундаментальных исследований по изучению генерации и взаимодействия элек- тромагнитных излучений с геосредой. При этом в геосреде реально работает совокуп- ность механизмов их генерации, а спектр из- лучений характеризует меру энергонасыщен- ности геосреды. Разумеется, континуальная модель геосреды должна выступать в качестве частного случая моделей со структурой, при- годной для описания широкого спектра элек- тромагнитных явлений. Очерченному кругу проблем посвящается дальнейшее изложение, внимание акценти- руется на новом методе геофизической раз- ведки — АСЭМЭЗ, который в силу сходства объекта исследований, приборной базы, ме- тодики и используемого частотного диапазона излучений часто ошибочно трактуют в каче- стве некой разновидности метода ЕИЭМПЗ, предложенного и разработанного А. А. Воро- бьевым в конце 60-х — начале 70-х годов про- шлого века. Да, некоторые положения и предпосылки метода АСЭМЭЗ, их авторские трактовки и совокупность представленных эксперимен- тальных данных отдельным профессионалам могут показаться недостаточными, неубе- дительными, а подчас и неправильными или противоречивыми. Однако не следует делать поспешных суждений по этому поводу: и эксперимент, и теория дают все более убе- дительные аргументы в пользу предлагаемой концепции. Во всяком случае, по нашему мне- нию, гораздо эффективнее тратить время на получение новых эмпирических фактов и их осмысление, чем на оторванные от практики абстрактные рассуждения. Геосреда и ее модели. В известных геофи- зических методах электроразведки исполь- зуется модель геосреды в виде пассивного континуума, которая характеризуется фено- менологическими характеристиками, опреде- ленными в лабораторных условиях. При этом взаимодействие геосреды с электромагнит- ным полем описывается в рамках электроди- намики сплошных сред. В 70—80-х годах прошлого века, на осно- ве обобщения многочисленных эксперимен- тальных исследований физических харак- теристик горных пород в огромном петро- графическом и фациальном разнообразии и широком диапазоне термодинамических условий, в Институте физики Земли АН СССР под руководством академика М. А. Са- довского создано новое учение о геосреде [Са- довский, Писаренко, 1991, Садовский, 2004]. Согласно ему геосреде присущи следующие характерные особенности [Николаев, 2002]: активность, иерархическая неоднородность, нелинейность, выраженная во взаимосвязи физических характеристик и процессов, из- менчивость во времени физических свойств. Охарактеризуем указанные характерные особенности более детально. Характерными признаками активных сред являются [Васи- льев и др., 1979]: наличие распределенного источника энергии или веществ, богатых энергией; каждый ее элемент находится в состоя- нии, далеком от термодинамического равновесия; связь между элементами (элементарны- ми объемами) осуществляется за счет процессов переноса. При этом необходимо считать среду мно- гофазной, т.е. учитывать ее твердую, жидкую и газовую компоненты. В такой структурно- неоднородной среде нелинейным явлениям присущ ряд нетипичных особенностей: наличие доминантных частот; наличие механизмов переноса энергии колебаний в низкочастотную или высо- кочастотную области спектра; отклик такой нелинейной системы на внешнее воздействие может быть раз- ным в зависимости от условий самовоз- буждения в данный момент времени. Для активных сред характерно также нали- чие самоподдерживающихся колебательных движений, представляющих одну из форм В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 42 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 диссипации энергии, при этом спектр колеба- ний характеризует меру энергонасыщеннос- ти системы. Такие системы способны фор- мировать различные пространственно-вре- менные структуры активности, представляю- щие собой импульсы и фронты возбуждения, неустойчивость которых приводит к установ- лению в системе самоподдерживающихся ко- лебаний с определенной пространственной конфигурацией. Важный аспект проблемы описания геосре- ды — учет ее фрактальной структуры, нагляд- ным выражением которой является иерархи- чески упорядоченная система блоков земной коры. Можно сказать без преувеличения: если вещество не находится в газообразном или кри- сталлическом состоянии, то оно имеет в некото- ром диапазоне масштабов фрактальную струк- туру [Зосимов, Лямшев, 1995]. И хотя фрак- тальные свойства, казалось бы, и не относятся к основным параметрам объектов или процес- сов, наличие фрактальной структуры может в ряде случаев принципиально изменить их свой- ства. В частности, фрактальные системы, как правило, обладают более высокими удельными мощностями излучения и необычной (дробно- степенной) зависимостью интенсивности из- лучения от расстояния. В настоящее время, очевидно, нет сомнений в том, что твердотель- ные фрактальные среды, сформированные в условиях диссипации энергии в открытой си- стеме — геосреде и являющиеся самооргани- зованными структурами, представляют собой особый тип структурного состояния вещества, характеризующегося существенными измене- ниями многих его физических свойств. Как известно, в последнее десятилетие наблюдается интенсивное проникновение в геофизическую науку методов нелинейной динамики. В частности, получены результа- ты по динамике геосреды [Спивак, Кишки- на, 2004], многие аспекты которой получили адекватную интерпретацию в терминах дина- мических систем [Геншафт, 2009]. Такие по- нятия, как регулярные и хаотические аттрак- торы, устойчивость, бифуркация и др., проч- но вошли в обиход исследований, связанных с изучением литосферы как открытой диссипа- тивной системы, характерными свойствами которой являются: диссипативность динамики; компенсация энергетических потерь за счет действия внешних (эндогенных и экзогенных) источников; активность составных элементов, спо- собных генерировать разнообразные ти- пы сейсмических и электромагнитных возмущений — от простых одиночных импульсов до хаотических. Напомним, что в пространстве состояний систем с диссипацией хаос ассоциируется с при- сутствием странного аттрактора [Кузне- цов, 2011]. Системы, в которых возможно возбужде- ние автоколебаний (автоволн), называются возбудимыми. Термин «автоволны» подчер- кивает тот факт, что их характеристики (фор- ма, скорость распространения) определяются параметрами среды и практически не зависят от начальных условий. К сожалению, нелинейно-динамические подходы к описанию и анализу геосистем сталкиваются со значительными трудностя- ми, связанными с их необычностью, сложно- стью, с отсутствием в ряде случаев понима- ния архитектуры блоков, слагающих среду, и принципов межблочных взаимодействий. Неустойчивость и пороговый характер их са- моорганизации описываются нелинейными уравнениями. Отличительные признаки не- линейных диссипативных систем — необра- тимые изменения во времени, пространствен- ная и временная иерархическая делимость, недетерминированность поведения после прохождения критической точки (бифурка- ция), волновая (автоволновая) и резонансная природа процессов [Геншафт, 2009]. Важный аспект рассматриваемой проблемы — экспе- риментальное обнаружение и теоретическое обоснование наличия волн «маятникового типа» в системе массивных блоков, разде- ленных мягкими прослойками [Айзенберг- Степаненко, Шер, 2007]. Их отличительная особенность — большая длина, малая ско- рость распространения (значительно меньше скорости волн в блоке) и относительно слабое затухание. Существенно, что перемещение блоков в основном сосредоточено вдоль их границ и включает процессы дробления, де- формации и пластического течения отдель- ностей, зацепления механической и физико- химической природы, объемного деформиро- вания и разрушения в пограничных слоях бло- ков [Даниленко, 1992; Старостенко и др., 2001, Садовский, 2004; Дубровский, Сергеев, 2006]. В качестве ведущего переменного факто- ра, определяющего текущую нестабильность геосреды вблизи состояния, близкого к кри- тическому, по мнению ряда исследователей, может служить восходящий поток легких га- МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 43 зов (водород, гелий), а изменчивость ее па- раметров, которая может быть достаточно быстрой, является результатом его непре- рывного взаимодействия с твердой фазой литосферы [Гуфельд, 2007 и др.]. Важно, что энергия дегазации может быть эффективно переброшена вдоль шовных зон и глубинных разломов, быстро сконцентрирована и высво- бождена со скоростью взрывной или детони- рующей волны [Вол, Гилат, 2006]. Очевидно, в рамках таких представлений геосреда, стремящаяся к самоорганизации, нуждается в новых моделях описания и анали- за, которые бы позволили отобразить процесс диссипации поступающей в нее энергии из низов литосферы, релаксацию локальных на- пряжений, стационарные режимы деформи- рования, генерацию и распространение акус- тосейсмоэлектромагнитной эмиссии [Шуман, 2010б; 2011]. Таким образом, неравновесность, нели- нейность, неустойчивость структуры — не- отъемлемые характеристики геосреды, кото- рые неизбежно влияют на протекающие в ней процессы, в том числе электромагнитные. В такой среде следует ожидать появления из- лучений со свойствами, которые не могут быть установлены и описаны в рамках клас- сического подхода. Качественная картина генерации и рас- пространения спонтанных электромагнит- ных сигналов литосферы и возможности их электродинамического описания. Как свидетельствует обширный эксперимент, на границе «земля—воздух» наблюдается боль- шое разнообразие электромагнитных воз- мущений различной природы, регистрируе- мых в исключительно широком диапазоне частот — от 10–4 до 106 Гц и выше. Одни из них возбуждаются источниками в атмосфере (грозовые разряды, предгрозовое излучение, непрерывно-шумовое радиоизлучение гро- зовых облаков и циклонов), другие — в маг- нитосфере и ионосфере в результате взаимо- действия солнечного ветра с геомагнитным полем или проникают в магнитосферу из межпланетной среды, третьи генерируются внутриземными источниками [Atmospheric…, 1999; Сурков, 2000; Gershenson, Bambakidis, 2001; Гульельми, 2007; Шуман, 2011; 2012а, б]. При этом шумоподобная компонента электро- магнитного излучения литосферного проис- хождения составляет заметную долю в общем балансе регистрируемого поля естественного происхождения. Установлено, что эта компо- нента суммарного излучения имеет сложные спектральный состав и пространственную структуру. Она существенно неоднородна. Отмечается, что генерация электромагнит- ного излучения происходит как спонтанно, вне прямой связи с проявлением сейсмично- сти, так и вынужденно, вследствие подвижек горных пород при сейсмическом воздействии [Левшенко, 1995; Сурков, 2000; Гульельми, 2007]. Предложена схема классификации вынуж- денных сигналов [Левшенко, 1995]. В зависи- мости от того, приходят ли электромагнитные сигналы в пункт регистрации из сейсмиче- ского очага, с фронта сейсмической волны или возбуждаются сейсмической волной не- посредственно в окрестности точки регистра- ции, они подразделяются на три вида, каждый из которых может возбуждаться в результате действия деформационного, индукционного или инерционного механизмов генерации. В свою очередь, механизмы генерации подраз- деляются в зависимости от того, какой тип движения земной коры в магнитном поле земного ядра ответственен за генерацию — за счет вектора перемещений элемента зем- ной коры u, скорости деформации v=du/dt или ускорения w=dv/dt. Предложено общее линейное уравнение генерации, включающее все эти механизмы генерации [Левшенко, 1995; Гульельми, 2006; 2007]. Развита методика выделения сигналов лито сфер ного происхождения на фоне ин- тен сивных атмосферно-ионосферно-магни то - сфер ных возмущений, которые в этом слу- чае вы ступают в роли помех. Она основа- на на использовании свойств однородности поля источников атмосферно-ионосферного происхождения по латерали, в то время как источники в литосфере генерируют поля с по- вышенным поверхностным градиентом. Установлено, что интенсивность спонтан- ной электромагнитной эмиссии литосферы контролируется в общем случае суммарным действием внешних и внутренних сил. Ее характеристики определяются частотным диапазоном, районом регистрации, резонанс- ными и релаксационными процессами, свой- ствами и процессами исследуемого массива или блока горных пород. Наблюдается ее мо- дуляция приливной силой [Левшенко, 1995]. Заметим, что полученные эксперименталь- ные результаты не всегда трактуются одно- значно [Шуман, 2012а, б]. Далее, с понятием «шум» в обыденном сознании ассоциируется В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 44 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 термин «помеха», наличие которой обычно только ухудшает ситуацию. Однако, как сви- детельствует наш обширный полевой экспе- римент, информативность электромагнитно- го шума литосферного происхождения кило- герцового диапазона при изучении структуры и динамики геосреды в ряде случаев может значительно превосходить информативность регистрируемых возмущений более низкоча- стотной области спектра (в частности, ультра- низкочастотных волн — геомагнитных пуль- саций, наиболее регулярных естественных электромагнитных полей в диапазоне от 0,3 до 600 с). Несмотря на определенные успехи, до- стигнутые в исследовании литосферных из- лучений, ряд принципиальных физических вопросов, связанных с условиями генерации высокочастотного электромагнитного шума литосферы, как нам представляется, раз- работан все еще недостаточно совершенно [Шуман, 2012а, б]. Основные нерешенные проблемы сосредоточены в области быстрых процессов изменений параметров геосреды. Как уже отмечалось, в качестве основного пе- ременного фактора контролирующего теку- щую неустойчивость литосферы и стимули- рующего обмен энергией между отдельными ее элементами, могут служить восходящие по- токи легких газов (водород, гелий). При этом обычно рассматривают три основных про- цесса, обусловливающие неустойчивость ли- тосферы при прохождении через нее легких газов: формирование пористости с высоким внутренним давлением газов, междоузельная диффузия, фазовые переходы по высокотем- пературному типу в присутствии гелия [Гу- фельд, 2007]. Отметим, что при рассмотрении вопро- сов распространения электромагнитных возмущений земная кора в большинстве работ принимается в качестве пассивного континуума. Это пористая флюидонасыщен- ная среда, обладающая магнитной структурой и находящаяся в подмагничивающем поле земного ядра. Использование такой модели вполне допустимо и оправдано, однако, нет оснований полагать, что указанный подход в состоянии объяснить все возможные явления в литосфере. Как свидетельствует обширный натурный эксперимент, в суммарном излуче- нии присутствует составляющая — спонтан- ная электромагнитная эмиссия, обладающая специфическими свойствами и нуждаю- щаяся, по-видимому, в иных подходах [Шу- ман, Богданов, 2008; Богданов и др., 2009а,б; Шуман, 2007; 2010а; Старостенко и др., 2009] и в использовании иной электродинамиче- ской модели геосреды — активной диссипа- тивной структуры [Шуман, 2010 а, б; 2012а, б]. Неравновесность, нелинейность, неустой- чивость структуры геосреды — основные ис- ходные принципы, на которых, по нашему мнению, должна строиться теория спонтан- ной электромагнитной эмиссии литосферы. В частности, идеи об активной роли геосреды позволяют с иных идейных позиций подой- ти к проблеме генерации и распространения электромагнитных возмущений в ней. Эту проблему предполагается решать в рамках распределенных возбудимых сред (дисси- пативных структур) с учетом многообразия механоэлектромагнитных преобразований и эмпирических закономерностей, свидетель- ствующих о связи характеристик излучения со структурой и динамикой геосистем. При этом под структурой системы будем понимать способ организации ее элементов и характер связей между ними. Как уже отмечалось, твердотельные струк- туры, самоорганизующиеся в открытых си- стемах, являются фрактальными [Золотухин и др., 2005]. Характерные признаки фрак- тальных структур — самоподобие, масштаб- ная инвариантность, структурная иерархия и фрактальная размерность. В такой сложной структурированной системе (геосреде) суще- ствуют комплексы нелинейных взаимодей- ствий между физическими полями, структу- рами и целыми подсистемами. При этом акку- муляция и передача больших порций энергии из низов литосферы сопровождается гене- рацией взаимодействующих сейсмических, гидродинамических, электромагнитных и те- пловых возмущений, распространяющихся в литосфере и диссипирующих в ней. Отметим, что, в соответствии со знаме- нитой флуктуационно-диссипативной тео- ремой статистической физики [Кадомцев, 1994; Ильинский, Келдыш, 1989], механизм любой диссипации является одновременно и механизмом рождения флуктуаций. Имен- но благодаря этой связи флуктуации в дис- сипативной системе никогда не исчезают, а поддерживаются на уровне, диктуемом ее дискретностью. В частности, она связывает спектральную плотность флуктуаций токов с антиэрмитовой частью тензора диэлектриче- ской проницаемости [Виноградов, Дорофеев, 2009]. С этой точки зрения можно утверждать, МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 45 что электромагнитные флуктуации представ- ляют собой часть фундаментального природ- ного явления — броуновского движения. В последние годы пришло осознание ти- пичности хаотического поведения нели- нейных диссипативных систем. Такие си- стемы способны формировать различные пространственно-временные структуры ак- тивности, представляющие собой импульсы и фронты возбуждения, неустойчивость кото- рых приводит к установлению в системе са- моподдерживающихся колебаний с опреде- ленной пространственной конфигурацией. При этом достаточно располагать источником энергии, чтобы самовозбуждение колебаний стало возможным. Существенно, что образо- вание фрактальных агрегатов в таких систе- мах резко увеличивает мощность создаваемо- го в них излучения. Таким образом, акустосейсмоэлектромаг- нитный шум литосферного происхождения — универсальный эффект, обусловленный только наличием диффузии. В геосреде диф- фузионную природу имеет просачивание флюидной компоненты, и поэтому реализу- ются условия возникновения фрактального геометрического шума литосферы [Зосимов, Лямшев, 1995, с. 391]. Заметим, что сейсмические шумы также охватывают очень широкий диапазон частот. Их обычно разделяют на низкочастотные (от долей до первых единиц герц), высокочастот- ные (до нескольких десятков герц) и сейсмо- акустические (от десятков герц до нескольких килогерц). В качестве равнозначных часто ис- пользуют такие термины, как сейсмическая и сейсмоакустическая эмиссия или излуче- ние, сейсмоакустические и геоакустические шумы. Важно, что сейсмические шумы непре- рывны. В них отчетливо проявляются различ- ные частоты внешних воздействий — лунно- суточные приливы, штормовые микросейсмы и др. Активизация их источников коррелиру- ет с действием внешних полей, которые уси- ливают, а не ослабляют сейсмические шумы. Заметим, что большинство исследователей этих явлений склонны связывать механизмы сейсмических шумов с излучением упругой энергии множеством трещин и трением под- вижных элементов геосреды. Однако трудно себе представить непрерывность процессов трещинообразования, поскольку процесс трещинообразования дискретен, а плотность трещин в массиве горных пород ограничена. Кроме того, как свидетельствуют теоретиче- ские расчеты, постоянно действующие фо- новые поля также не могут выступать в роли деформационных источников непрерывного планетарного сейсмического шума [Gufeld et al., 2011]. По этой причине в настоящее время источники его происхождения предпочитают связывать с процессами флюидодинамики и дегазации. Наиболее адекватной моделью этих процессов во фрактальной геосреде является модель скалярного фронта градиентной пер- коляции (просачивания, протекания, филь- трации). Учитывая, что нелинейным системам, как правило, присуща множественность про- цессов и механизмов, указанную модель, в общем виде, следует рассматривать как одну из моделей (частный случай) фронта самоор- ганизованной критичности. Таким образом, сейсмоакустический шум можно рассматри- вать как одно из проявлений неравновесного самоорганизованного критического явления. Можно предположить, что ассоциируемый с этим распространяющимся фронтом дис- сипативный всплеск диэлектрической прони- цаемости при рассеивании на покоящихся или движущихся зарядах, сгустках зарядов или ди- полях, содержащихся в геосреде или появляю- щихся в ней в этом процессе, в свою очередь формирует широкодиапазонный фракталь- ный спектр электромагнитного излучения. Важно, что этот распространяющийся фрак- тальный фронт (всплеск) диэлектрической проницаемости недифференцируем и, вооб- ще говоря, не имеет нормали. По этой причине становятся проблематичными такие понятия, как «лучевая траектория» или «лучевая опти- ка». Заметим также, что в случае реальных фрактальных сред (геосреды) обычно имеется некий максимальный масштаб, ограничиваю- щий область их фрактального поведения. При этом на масштабах, превышающих его, и, сле- довательно, на низких частотах имеют место обычные закономерности распространения возмущений, в том числе и обычный спектр из- лучений. Однако в арсенале современных экс- периментальных методов геофизики обычно отсутствует анализ фрактальных параметров геосреды, что существенно снижает получае- мую о ней информацию. Обычно отсутствует и понимание архитектуры геосреды в исследу- емой области, а также принципов межсистем- ных и межблочных взаимодействий в ней. К сожалению, проблема материальных уравнений, необходимых для электродинами- ческого описания геосреды как неравновес- ной диссипативной динамической системы В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 46 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 с фрактальной структурой может, оказаться очень сложной [Шуман, 2012а]. При этом ее адекватное описание возможно лишь посред- ством нелинейных уравнений. Отмечается разнообразие волновых структур в активных средах. Это автоволны, волны переключения и пики. Напомним, что автоволны — разно- видность самоподдерживающихся волн в ак- тивных средах, содержащих распределенные источники энергии, а пики — неподвижные и пространственно-локализованные структу- ры. Экспериментально установлено также су- ществование спиральных (геликоидальных) автоволн — незатухающих низкочастотных колебаний, обусловленных наличием подмаг- ничивающего поля в среде распространения [Давыдов и др., 1991]. Как известно, автоколебания соответству- ют условию, при котором отклик системы на внешнее воздействие не пропорционален воз- действующему усилию. Перечень типов авто- волновых процессов, известных к настоящему времени, довольно обширен. Это распростра- няющиеся возмущения в виде бегущего им- пульса, стоячие волны, синхронные автоколе- бания во всем пространстве, диссипативные структуры [Васильев и др., 1979]. Среди по- следних можно выделить три класса: времен- ные, пространственные и пространственно- временные. Общепринятым описанием возникнове- ния и эволюции пространственно-временных структур (автоволн) в возбудимых (активных) средах являются многокомпонентные систе- мы уравнений типа «реакция—диффузия» [Давыдов и др., 1991]. Типичный класс моде- лей этого типа описывается уравнением 2 ( )u u F u t , где u=u(r, t) — функция пространственных переменных r₂D₀Rn и времени t (возможно, векторная), определяющая состояние систе- мы; 2 — оператор Лапласа, задающий диф- фузионный тип пространственного взаимо- действия элементов структуры; α— коэффи- циент диффузии. При этом граничные условия обычно за- даются либо периодические, либо описывают отсутствие потока через границы элементов (ячеек). Динамика функции u определяется как собственной динамикой функции F(u), так и характером взаимосвязей с соседними эле- ментами. С учетом универсального характера данно- го обстоятельства, предложено обобщенное нелинейное уравнение генерации перемен- ного магнитного поля B [Шуман, 2007; Цифра, Шуман, 2010]: ( )2 i j j i Bi B F t B , где Bi — компонента магнитной индукции; 2 4ij ijc — матрица диффузии; ij — ма- трица проводимости; Fi(B) — нелинейная функция, определяемая динамикой процес- сов взаимодействия геосреды с восходящим потоком легких газов и экзотермичных реак- ций и в конечном счете разнообразными ме- ханизмами механоэлектромагнитных преоб- разований. Разумеется, общей теории сред рассматри- ваемого типа не существует и каждый доста- точно проработанный пример, как правило, дает образцы новых типов их динамики и са- моорганизации. Однако можно не без основа- ний утверждать, что природа акустосейсми- ческой и электромагнитной эмиссий состоит в трансформации собственной энергии гео- среды в различные локально неустойчивые состояния, которые и являются источника- ми эмиссий [Шуман, 2010а, б; 2012а, б]. При этом энергетическая накачка геосреды спо- собствует формированию активных систем, характеризующихся нелинейной динамиче- ской совокупностью физических полей и ав- товолновыми механизмами переноса флюид- ной фазы. С фронтом концентрации флюида связано формирование «волны» комплексной диэлектрической проницаемости, процесс рассеяния (трансформации) которой и ведет к образованию электромагнитных а также и других «волн» (возмущений). Очевидно, эти процессы реализуются преимущественно вдоль границ блоков и вдоль разломов, где наблюдается наиболее активная циркуляция флюидной фазы. Сложность проблемы генерации и распро- странения электромагнитных флуктуаций ли- тосферного происхождения состоит в том, что необходимо учитывать возможность различ- ного физического содержания процессов ге- нерации. В этом контексте подходы, основан- ные на идеях нелинейной динамики, являются одним из наиболее перспективных направле- ний исследований этих явлений. В частности, на основе аксиоматической теории показано, что в неоднородных системах источником генерации распространяющихся волн могут МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 47 быть области, в которых собственная частота колебаний выше, нежели в окружающем про- странстве. Источники такого типа получили название водителя ритма или пейсмекера. В случае наличия нескольких таких источников среда синхронизируется самым высокоча- стотным из них [Васильев и др., 1979]. Таким образом, в распределенных актив- ных системах, к числу которых может быть отнесена и геосреда, могут рождаться, рас- пространяться и преобразовываться разноо- бразные и сложные волновые процессы, адек- ватным методом изучения которых является качественная теория квазилинейных парабо- лических систем [Васильев и др., 1979]. Теоретические предпосылки и сравни- тельная характеристика методов ЕИЭМПЗ и АСЭМЭЗ. Как уже упоминалось, в основе методов ЕИЭМПЗ и АСЭМЭЗ лежит явле- ние импульсной электромагнитной эмиссии килогерцового диапазона, генерируемой гео- средой и регистрируемой в скважине, на зем- ной поверхности или над нею. Ее возникнове- ние традиционно связывали с образованием заряженных дислокаций, трещинообразова- нием, нарушением связей адгезионной при- роды, электрокинетическими явлениями, ре- лаксационными и разрядными процессами, пьезоэффектом, источниками в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли и др. Су- щественно, что процессы и механизмы гене- рации и распространения регистрируемых электромагнитных возмущений весьма раз- нообразны и реально в природе работает их совокупность. При регистрации импульсного электро- магнитного излучения рассматриваемого частотного диапазона обычно фиксирует- ся интегральная интенсивность потока им- пульсов и исследуется его пространственное распределение. На основе современной эле- ментной базы и цифровой обработки данных удалось достичь высокой точности (±5 %) и большого динамического диапазона (0,055— 15 нТл) измерений параметров геомагнитных флуктуаций в диапазоне частот 1,5—70 кГц (по уровню 3 дБ) [Богданов и др., 2009б]. Одна- ко реальный вид сигнала из-за ограниченных возможностей инструментальной базы не идентифицируется, что существенно затруд- няет изучение и идентификацию механизмов генерации и глубинную локализацию источ- ников излучения. Методы ЕИЭМПЗ и АСЭМЭЗ имеют и су- щественные различия, касающиеся трактов- ки механизмов генерации и распространения электромагнитных возмущений, интерпрета- ции наблюденных данных и сфер их приме- нения. Остановимся на главных, по нашему мнению, из них, сводя воедино и акцентируя соответствующие аргументы. Метод ЕИЭМПЗ. В основе метода — явле- ние импульсной электромагнитной эмиссии, генерируемой геосредой, возникающей как на уровне протекания физико-химических процессов в минералах, слагающих горную породу, вследствие изменения термодинами- ческих условий в земных недрах, так и в про- цессе деформации горных пород под воздей- ствием механических нагрузок. Работы по ис- следованию ЕИЭМПЗ, начатые по инициати- ве А. А.Воробьева в конце 1960-х годов, были направлены на создание методов контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и прогноза геодина- мических явлений различного энергетическо- го класса. Импульсное электромагнитное поле, регис- трируемое на земной поверхности, состоит из трех компонент: излучений, источники кото- рого расположены в земной коре, атмосферно- ионосферного происхождения и техногенных электромагнитных полей. Метод реализуется путем измерения импульсного потока излу- чений в килогерцовом диапазоне частот и его пространственного распределения. Существует несколько точек зрения на физическую природу источников излучения литосферы. В частности, оно может быть связано с процессами разрушения в твердой фазе горных пород и его подготовкой, с элек- трокинетическими эффектами в их жидкой фазе или является проявлением сегнето- или пьезоэлектрических свойств горных пород. Существуют также импульсы литосферного происхождения, возникающие в среде под действием акустических или сейсмических колебаний. Характеристики литосферной составляющей ЕИЭМПЗ изменяются в про- странстве на структурных неоднородностях земной коры, имеют временные вариации, вызванные изменением механических на- пряжений под действием тектонических про- цессов, приливных деформаций, атмосфер- ного давления. При этом понятие геосреды, имеющее до последнего времени в рассма- триваемом методе механический или, скорее, механистический характер, становится более широким и более соответствующим представ- лением физики твердого тела. В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 48 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 Экспериментально установлено, что изме- нение параметров электромагнитного излуче- ния литосферного происхождения — много- факторный процесс, зависящий от физических свойств горных пород, их генетического типа и структурно-текстурных особенностей. Оста- новимся на этих вопросах более подробно. Как свидетельствуют многочисленные ла- бораторные опыты с природными материала- ми (см., например, [Сурков, 2000] и цитируе- мую там литературу), спектр электромагнит- ных полей, генерируемых при их разрушении, достаточно широк, его диапазон составляет от 10 Гц до 1 МГц. При этом максимум интен- сивности приходится, по разным данным, на диапазон от 1 до 50 кГц. Как уже упоминалось, к числу возможных механизмов механоэлек- трических преобразователей в земной коре относится достаточно широкий спектр явле- ний. Это либо электрическая поляризация среды, возникающая при механических на- пряжениях в кристаллах диэлектрика, в ми- нералах и горных породах, либо электризация — появление избыточного электрического за- ряда. При этом поляризация среды возникает на различных структурных уровнях, начиная с дефектов кристаллической решетки и за- канчивая границами зерен, трещинами, по- рами и другими макроскопическими неодно- родностями. В качестве возможной причины поляризации среды рассматривается также пьезоэффект. Предполагается, что процессы образования и релаксации зарядов на бортах микротрещин, образующихся при разруше- нии горной породы, возбуждают широкопо- лосный электромагнитный шум, который дис- сипирует в среде распространения и превра- щается в УНЧ колебания с верхней границей порядка 1 Гц. Трудность исследования этого круга явле- ний состоит в отсутствии конкретных данных о параметрах механоэлектрических преобра- зований на глубине. По этой причине в рабо- тах этого направления выдвигаются скорее гипотезы, чем предлагаются теоретические модели. Обычно вся совокупность упомяну- тых механизмов генерации электромагнит- ных возмущений нередко рассматривается в теории в качестве возможных причин про- исхождения регистрируемых сигналов. При этом зачастую игнорируется тот факт, что рассматриваемые электромагнитные воз- мущения радиоволнового диапазона испы- тывают в проводящих породах земной коры сильное поглощение. Таким образом, очевид- но, они могут выйти из очагов генерации на земную поверхность лишь в том случае, если их частотный спектр лежит в области про- зрачности для электромагнитных волн или источники генерации находятся в скин-слое для этого частотного диапазона. Ясно, что в случае выхода излучения из глубинного очага генерации необходимо предположить суще- ствование в нем полей чрезвычайно высоких напряжений или волновых каналов. Однако имеющаяся совокупность эксперименталь- ных данных, вообще говоря, не свидетель- ствует о механизме генерации, основанном на электрическом пробое ни в горных поро- дах на глубине, ни в воздухе вблизи земной поверхности. По этой причине внимание ис- следователей концентрировалось на рассмо- трении ансамбля излучателей, связанных с ансамблем раскрывающихся трещин и реа- лизаций эффекта «когерентного» усиления излучаемого очагом электромагнитного сиг- нала. С этих позиций вполне объясним также и интерес к использованию более низких ча- стот, относящихся к УНЧ диапазону или к еще более низким частотам, на которых мощность скин-слоя достаточно велика. Заметим, что для радиоизлучения мегагер- цового и килогерцового диапазона мощность скин-слоя для типичных геоэлектрических условий составляет соответственно порядка 10 и 150—200 м. По этой причине оно не мо- жет выходить из глубинных очагов генера- ции. В приповерхностном же слое зачастую весьма проблематично найти достаточное ко- личество источников излучения, но еще труд- нее связать его с геодинамическими процес- сами на глубине [Сурков, 2000]. Подчеркнем еще раз: при анализе всех упомянутых механизмов и источников ге- нерации излучения предполагалось, что гео- среда — пассивный континуум. Это пористая флюидонасыщенная среда, обладающая в общем случае магнитной структурой и на- ходящаяся в подмагничивающем магнитном поле земного ядра. При этом взаимодействие геосреды с электромагнитным полем описы- вается в рамках электродинамики сплошных сред. При рассмотрении такого рода задач характерно использование «нормальных» электромагнитных волн, характеризующихся определенным значением круговой частоты и волнового вектора k, удовлетворяющих однородному волновому уравнению и до- статочно полно характеризующих свойства среды распространения. Как известно, общее МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 49 решение уравнений Максвелла в этом слу- чае содержит линейную комбинацию всех «нормальных» волн, граничные условия одно- значно определяют их амплитуду, а взаимо- действие среды и поля задается параметрами материальных уравнений. Скиновая глубина в квазистационарном приближении, опреде- ляющая глубинность метода, оценивается на основе выражения 02h , где 0=4π·10–7 Гн/м — магнитная постоянная, — проводимость среды, — круговая частота. Однако регистрация только интегральной интенсивности потока импульсов существен- но затрудняет идентификацию регистрируе- мого сигнала, механизм его генерации и опре- деления его источников. Поэтому на практике при определении геометрических параметров и глубины погружения аномального объекта (его центра тяжести), который генерирует из- лучение, обычно исходят из упрощенных мо- делей. В частности, его аппроксимаций в виде шара, кругового цилиндра, горизонтальной или вертикальной пластины и использованию связей между характерными точками ано- мальной кривой плотности потока излучения вдоль профиля наблюдений с их геометриче- скими параметрами [Бессмертный, Солома- тин, 1999; Чебан, 2001]. Метод ЕИЭМПЗ ориентирован в основном на решение инженерно-геологических задач и изучение напряженно-деформированного состояния приповерхностных горизонтов и объектов разреза. Ясно также, что не предпо- лагается его использование при исследовани- ях на акваториях, когда трасса распростране- ния излучения при его выходе на поверхность содержит участок, соответствующий хорошо проводящему слою морской воды. Необходимо отметить, что плотность и мощность потока ЕИЭМПЗ зависит от мас- штаба геологических процессов. При этом не следует ограничиваться рассмотрением толь- ко одного механизма генерации излучения, в частности, связанного с изменением на- пряженного состояния массива пород и раз- вития микродеформаций локального харак- тера. Очевидно, синхронно с периодами ди- намичности в напряженно-деформируемом состоянии горного массива активизируется не только трещинообразование и связанное с ним электромагнитное излучение, но и проис- ходят и активизируются процессы диффузии флюидной компоненты геосреды с возмож- ным выносом и образованием зарядов. Ясно, что распределение в нем излучателей электро- магнитного излучения не будет совпадать с мозаикой сформировавшихся в среде напря- жений, а будет определяться как упомянуты- ми выше факторами, так и локальными коэф- фициентами трансформации механической энергии в электромагнитную. Иначе говоря, в случае расположения источников электро- магнитного излучения в пределах мощности скин-слоя, как это обычно предполагается в методе ЕИЭМПЗ, условие его генерации бу- дет определяться как механическими свой- ствами пород (в частности, модулем упруго- сти) так и, что существенно, коэффициентами механоэлектромагнитного преобразования. Очевидно, следует ожидать, что его характе- ристики, обусловленные ансамблем излуча- телей различного масштабного уровня, будут в большей степени определяться условиями нагружения блоков горного массива, чем их физическими свойствами. Однако такая трак- товка не является исчерпывающей, хотя она и опирается на лабораторный эксперимент. Природная среда существует и эволюциони- рует в пространстве и во времени, на много порядков больших, чем в любых лаборатор- ных опытах. Метод АСЭМЭЗ. Физическая основа мето- да — явление спонтанной электромагнитной эмиссии, генерируемой в литосфере в широ- ком диапазоне частот и обладающей упорядо- ченной пространственно-временной структу- рой, тесно связанной со строением и динами- кой геосреды. Концептуальная новизна излагаемого нами подхода к исследованию спонтанной электромагнитной эмиссии литосферного происхождения состоит в привлечении идей нелинейной динамики, когда на передний план выступают неустойчивые системы и рас- пределенные возбудимые среды, демонстри- рующие большое разнообразие типов поведе- ния и самоорганизации. Случайность и хаос, возникающие в таких системах и проявляю- щиеся в хаотической колебательной структу- ре вариаций геофизических полей, представ- ляют собой неотъемлемое свойство системы. Как известно, геологические объекты — это открытые системы, развитие которых определяется глобальными процессами энер- гетики, дегазации и динамики Земли. Основ- ной продукт дегазации — флюиды, с позиций нелинейной динамики, представляют собой сложную открытую энергетически концен- В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 50 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 трированную динамическую систему, посто- янно меняющую свои состав и свойства. Вза- имодействие процессов дегазации и текто- нического деформирования сопровождается нелинейными процессами, причем флюиды служат одним из основных факторов, опреде- ляющих нелинейность. Таким образом, мы имеем дело со средой (геосредой), обладающей свойствами откры- тых диссипативных систем. В соответствии с флуктуационно-диссипативной теоремой статистической физики, механизм любой диссипации является одновременно и ме- ханизмом рождения флуктуаций. При этом роль начального возбуждения играет энер- гия низов литосферы, а аналогом автоволн, характерных для активных сред, служат ло- кализованные неравновесные области — воз- мущения напряженно-деформированного состояния, формирующиеся и непрерывно изменяющиеся под воздействием флюидов. Непрерывное шумовое сейсмоакустическое и электромагнитное излучение, регистрируе- мое в геосреде в широком диапазоне частот, свидетельствует о высокой энергонасыщен- ности литосферы, а фрактальная структура сигналов дает основания искать механизм его генерации как некоторого критического не- равновесного процесса. Имеются весомые основания принимать в качестве источника сейсмоакустической и электромагнитной эмиссий фронты самоор- ганизованной критичности (ФСК). Наиболее адекватной их моделью в условиях фракталь- ной геосреды являются фронты градиентной скалярной перколяции. Как известно, прояв- ление свойств перколяционного типа весьма вероятно в породах с низкой проницаемо- стью или в трещиноватых средах, а образова- ние фрактальных агрегатов в таких системах резко увеличивает мощность создаваемого в них излучения. Показано, что даже реальные среды, не обладающие явной фрактальной геометрической структурой, демонстрируют свойства, характерные для фрактальных по- ристых сред [Гийон и др., 1991]. С экспериментальной точки зрения ФСК — наиболее энергетически активный источ- ник излучений, а с термодинамической — представляет собой неравновесный фазовый переход в открытой системе. Заметим, что просачивание имеет диффузионную приро- ду, и поэтому реализуются условия для воз- никновения фрактального геометрического шума. Это универсальный эффект, обуслов- ленный только наличием диффузии [Зосимов, Лямшев, 1995]. Структура фрактального гео- метрического шума существенно неоднород- на. В нем присутствуют возмущения различ- ного происхождения. Заметим также, что в неоднородных сре- дах нет распространяющихся волн, волны яв- ляются стоячими [Раутиан, 2008]. Колебания с длиной волн, кратных характерному размеру неоднородностей (в частности, блоков), зату- хают значительно слабее волн, длина которых такова, что в блоках (неоднородностях) не мо- гут возникать стоячие волны. В итоге среда ведет себя подобно набору резонаторов. При этом сопутствующее стоячей звуковой волне электромагнитное поле столь же слабо, как и звуковое, затухающее в среде, и в условиях резонанса может обладать весьма заметной амплитудой. Конкретизируем теперь сам процесс ме- ханоэлектромагнитных преобразований. Как известно, в качестве основного преоб- разователя механической энергии в электро- магнитную принимают механизм дипольно- го излучения зарядовой мозаики на бортах раскрывающейся трещины или их ансамбля [Гохберг и др., 1988; Сурков, 2000]. С фронтом самоорганизованной критичности, очевидно, связано формирование «волны» комплекс- ной диэлектрической проницаемости, кото- рая аналитически может быть представлена в виде функции диссипативного всплеска [Бо- лотов, 2002]. Рассеивание этой «волны» про- ницаемости на покоящихся или движущихся зарядах, сгустках зарядов или диполей, содер- жащихся в геосреде или возникающих в ней при распространении ФСК, формирует ши- рокодиапазонный спектр электромагнитного излучения. В конечном итоге в геосреде формирует- ся некоторое собственное электромагнитное поле, эволюционирующее во времени и про- странстве. Проекция этой картины на зем- ную поверхность может быть зафиксирована в процессе наземных, аэро- или даже косми- ческих съемок, хотя она и может оказаться сильно зашумленной приповерхностными и атмосферно-ионосферными эффектами. Примечательно, что пространственные масштабы (параметры) аномалий интенсив- ности излучения слабо зависят от электромаг- нитных характеристик разреза, а определя- ются в первую очередь глубиной погружения «излучающих элементов». При этом в зависи- мости от условий их расположения, размеров, МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 51 физических свойств геосреды излучаемое поле, регистрируемое на земной поверхности, оказывается локализованным в своеобразном «конусе излучения» с углом у вершины от 60 до 82 , а в случае локального точечного из- лучателя — 71 [Дурандин, 2011]. В принци- пе, это позволяет восстановить структурный каркас исследуемого разреза или, по крайней мере, выполнить его содержательную визуа- лизацию. Ясно, что в этом случае глубина про- никновения поля, определяемая в приближе- нии плоской волны, не является определяю- щим качественным динамическим свойством электромагнитного поля, удовлетворяющего уравнению диффузии. Что нового дает полевой эксперимент для постановки и понимания проблемы? В насто- ящее время теоретические подходы к изуче- нию механизмов генерации и распростране- ния спонтанной электромагнитной эмиссии все еще ограничены лишь качественной сто- роной явления [Левшенко, 1995; Гульельми, 2007]. Не существует и модели геосреды, оди- наково пригодной для описания всей совокуп- ности излучений, регистрируемых на границе раздела «земля—воздух» или над нею. В этой ситуации представляется актуальным скон- центрировать внимание и усилия на анализе экспериментальных результатов. Результаты выполненных в последние го- ды экспериментальных работ по регистрации спонтанного электромагнитного излучения как на суше, так и на акваториях позволяют, на наш взгляд, получить ответы на высказан- ные выше теоретические рассуждения. Не вдаваясь в подробности аппаратурно-методи- ческого обеспечения проведения полевых ра- бот методом АСЭМЭЗ, которые достаточно детально описаны в работе [Богданов и др., 2009а], остановимся лишь на отдельных харак- терных экспериментальных результатах. Одним из главных аргументов наших оп- понентов является вопрос о выделении ли- тосферной составляющей на фоне большого разнообразия электромагнитных возмуще- ний различной природы в широком диапазо- не частот. В 2010 г. был проведен эксперимент по регистрации СЭМЭЗ в одном из штреков соляной шахты (г. Соледар, Донецкая область) на глубине порядка 260 м. Измерения прово- дились на прямолинейном участке штрека длиной 800 м в неработающей шахте при пол- ном отсутствии активных и пассивных искус- ственных помех (кабели, рельсы, крепления и др.). При этом на поверхности проводились синхронные измерения стационарной стан- цией, установленной над штреком. Срав- нение полученных результатов измерений (рис. 1) показало полное отсутствие в показа- ниях подземного прибора влияния атмосфер- ных источников — не установлено ни одного подобного одновременного всплеска. Не- смотря на низкий уровень сигнала, обуслов- ленного присутствием проводящих солевых отложений, установлен наклон соленосной и нижележащей свит, что свидетельствует о его литосферном происхождении. Рис. 1. Результаты подземных профильных измерений в штреке соляной шахты (а) и синхронных стационарных фоновых наблюдений СЭМИ на поверхности (б). На рис. 2 приведены результаты аэросъем- ки интенсивности потока излучения вдоль профилей, пересекающих северную и юж- ную прибортовые зоны ДДВ. Представляется очевидным подобие изменения интенсивно- сти измеряемой величины, а также сходство, в общих чертах, пространственной структуры аномалии в пределах разломных зон, размеры которых, несмотря на их существенное раз- личие, достигают двух десятков километров. Характерным является также появление узкого максимума вблизи центральной части разломных зон. Следует отметить, что наблю- даемый характер интенсивности излучения вблизи разломных зон качественно хорошо согласуется с распределением упругих напря- жений вблизи так называемого концентрато- В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 52 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 ра напряжений. Это дает основание полагать, что пространственная структура аномалии в первую очередь определяется распределени- ем упругих напряжений в литосфере. ки которого полностью совпадали с таковы- ми для прибора, установленного на планере. Было выполнено несколько полетов по суб- меридиональному региональному профилю, пересекающему некоторые разломы север- ного борта ДДВ. На рис. 3 показаны средние значения интенсивности потока (числа им- пульсов) после исключения фонового сигна- ла, полученные по четырем профилям. Верти- кальной чертой показано положение разлома вблизи кровли кристаллического фундамента (глубина порядка 2,5—4 км). Следует отметить высокое сходство в характере изменения ин- тенсивности потока: во всех случаях наблюда- ется раздвоенный асимметричный максимум, положение локального минимума совпадает с разломом кристаллического фундамента. Ширина максимума составляет порядка 800 м (по 400 м с каждой стороны от разлома), что, скорее всего, соответствует ширине прираз- ломной зоны (зона влияния разлома). Кроме того, видно постепенное уменьшение интен- сивности потока по мере удаления от цен- тральной части ДДВ (все кривые приведены в одном масштабе). Рис. 2. Средняя интенсивность СЭМИ над разломной зоной, ограничивающей северный (1, 2) и южный (3, 4) борты ДДВ. С целью исключения влияния двигателя на показания регистратора в 2011 г. впервые был использован планер, закрепленный на расстоянии 50 м от самолета. При этом из по- казаний аэрорегистратора были исключены фоновые значения излучения, зарегистриро- ванные стационарной станцией. В качестве стационарной станции использован регистра- тор, технические характеристики и настрой- Рис. 3. Изменения интенсивности СЭМИ в прибортовой зоне ДДВ: а — южный борт, б — северный борт. Пунктир- ные линии — положение разломных зон. Полученные данные позволяют качествен- но оценить вклад литосферной составляющей в суммарный сигнал. В среднем, число им- пульсов вдоль профилей изменялось в 20—30 раз, суммарный вклад глубинного сигнала мог составлять 20 %, а в некоторых случаях — за- метно больше. Пространственную устойчивость интен- сивности излучения радиоволнового диапа- зона иллюстрирует также рис. 4, на котором показаны однотипные аномалии (отмечены МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 53 дугами) в вейвлет-преобразованном сигна- ле вдоль поперечных и продольных профи- лей над Межводненской структурой, рас- положенной на шельфе Черного моря вблизи Тарханкутского полуострова (Крым, съемка 2009 г.). Наличие устойчивых аномалий над Межводненской структурой, расположенной на акватории, свидетельствует о выходе из- лучения на земную поверхность через слой морской воды. Иначе говоря, наличие хорошо проводящей водной толщи не оказывает за- метного влияния на результаты эксперимента [Шуман и др., 2011]. Видно, что характер записей СЭМИ на профилях (серый цвет — без усреднения, черный — с усреднением) при переходе от сухопутных к морским участкам не претер- певает существенных изменений. Следует также отметить достаточно высокое подобие в изменении исходного сигнала на соседних профилях, что указывает на его неслучайный характер и не позволяет отождествлять его природу с источниками верхней полусферы в силу их временной изменчивости. Как уже отмечалось, одним из основных явлений, обеспечивающих в конечном счете генерацию СЭМИ, является дегазация зем- ных недр, интенсивность которой, как извест- но, усиливается вблизи разломных зон. Одно из проявлений восходящей миграции флюи- дов — формирование геохимических анома- лий в приповерхностном грунте, в частности, над залежами углеводородов. В этой связи в 2011 г. впервые было проведены сопоставле- ние результатов метода АСЭМЭЗ и геохи- мических исследований грунта в районе Ба- залеевской площади ДДВ (рис. 6). Обращает на себя внимание хорошее пространственное соответствие большинства локальных макси- мумов при отсутствии строгой зависимости между их амплитудами (что и не удивитель- но ввиду различной природы явлений). Такое соответствие можно рассматривать как под- тверждение важной роли дегазации в форми- ровании СЭМИ, хотя, безусловно, для более надежных выводов необходимы дополнитель- ные исследования. Изменение неоднородности поля СЭМИ вдоль линии профиля, пересекающего в ши- ротном направлении структуру Субботина на Прикерченском шельфе Черного моря (глубина моря 50—60 м), показано на рис. 7. Усреднение данных всех наблюдений при по- летах в полосе порядка ±600 м практически исключает влияние субъективного фактора на конечный результат. Как следует из ри- сунка, геометрия выделяемых сейсморазвед- кой структур (внизу показан схематический сейсмогеологический разрез [Ночвай та ін., 2003]) уверенно проявляется в усредненном исходном сигнале СЭМИ. Существенным результатом эксперимен- тальных наблюдений является постоянство характера изменения исходного сигнала СЭМИ во временном масштабе. На рис. 8 по- казаны изменения интенсивности активно- сти электромагнитного излучения вдоль про- филя в северо-западной части Черного моря, Рис. 4. Аномалия интенсивности СЭМИ над Межводнен- ской структурой (Тарханкутская площадь) по нескольким близким поперечным (а) и продольным (б) профилям. Съемка 2009 г. Остановимся на некоторых характерных примерах по регистрации СЭМИ на профилях при переходе суша—море. На рис. 5 приведе- ны графики активности электромагнитного излучения, полученные с помощью летатель- ного аппарата в 2009 г. по трем параллельным профилям, пересекающим береговую линию Тарханкутского полуострова в субширотном направлении. Положение береговой линии на рисунке показано вертикальной чертой. Рас- стояние между профилями составляет 1 км. В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 54 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 зарегистрированные в 2007 и в 2010 г. соот- ветственно с борта НИС «Владимир Паршин» [Богданов и др., 2007] и «Профессор Водяниц- кий» [Коболєв, 2011]. Таким образом, приведенные примеры уве ренно указывают на наличие устойчивой литосферной компоненты электромагнит- ной эмиссии, которая обусловливает порядка 20 % суммарного излучения в приземной ат- мосфере в радиоволновом диапазоне частот. Пространственная структура аномалий при повторных измерениях над одними и теми же геологическими объектами является сходной при отсутствии полного совпадения. Связь излучения прослеживается с геологическими объектами, расположенными на глубинах от нескольких километров до нескольких десят- ков километров, на порядки превышающих толщину скин-слоя для используемого диапа- зона частот, что свидетельствует о возможно- сти выхода излучения с больших глубин, в том числе при прохождении трассы распростра- нения сигнала через морскую толщу. Заключение. Подводя итоги, можно утверждать, что интерпретация широкого спектра ЭМИ, регистрируемых на земной поверхности или над нею, основанная на ре- зультатах лабораторного опыта и теоретиче- ских представлений классической электро- динамики в рамках континуальных моделей сред, сопряжена со значительными труд- ностями, если трасса их распространения к точке регистрации включает и участок, от- носящийся к земной коре. Известный кри- Рис. 5. Графики распределения исходного сигнала СЭМИ, зарегистрированные с летательного аппарата по трем парал- лельным профилям, пересекающим береговую линию Тарханкутского полуострова (северо-западный шельф Черного моря). МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 55 зис детерминистской парадигмы генерации и распространения ЭМИ литосферного про- исхождения способствовал появлению иных, отличных от традиционных, взглядов на эту проблему. Сегодня уже общеизвестно, что ли- тосфера эволюционирует по законам и крите- риям, присущим нелинейным диссипативным открытым системам. Она является активной средой, способной формировать различные (в том числе и хаотичные) пространственно- временные структуры, представляющие со- бой импульсы и фронты возбуждения. Ей оказалась присуща внутренняя самоподобная структура, определяющая сейсмоэлектро- магнитные процессы. Неравновесность, не- линейность, неустойчивость реальной струк- туры геосреды — основные исходные прин- ципы, на которых должна строиться теория спонтанной электромагнитной эмиссии. Самый мощный и постоянно действующий источник энергии в геосреде, приводящий в действие механизмы самоорганизации — те- пловой поток из земных недр. В соответствии с известной теоремой статистической фи- зики, механизм любой диссипации является одновременно и механизмом рождения флук- туаций. Напомним, что термином «диссипативная структура» подчеркивается термодинамиче- ский аспект проблемы — самоорганизующие- ся структуры рождаются и существуют в тер- модинамически активных системах за счет диссипативных процессов утилизации энер- гии и энтропии. При этом энергетическая подпитка геосреды способствует формирова- нию активных систем, характеризующихся нелинейной динамикой системы физических полей и автоволновыми механизмами перено- са флюидной компоненты. Геосреда ведет себя подобно набору ре- Рис. 6. Изменения интенсивности СЭМИ (а) и величины интегрального индикаторного параметра, отражающего изменения геохимического состава (б). Рис. 7. Субширотный профиль аэрогеофизических наблюдений, пересекающий структуру Субботина на Прикерчен- ском шельфе Черного моря: а — усредненный график распределения исходного сигнала СЭМИ, б — схематический сейсмогеологический разрез [Ночвай та ін., 2003]. В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 56 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 зонаторов. В ней формируется некоторое собственное акустосейсмоэлектромагнитное поле, тесно связанное с ее строением и дина- микой, эволюционирующее во времени и про- странстве. Далее, многочисленные результа- ты последних лет свидетельствуют о том, что диссипативные твердотельные структуры, самоорганизующиеся в открытых системах, являются фрактальными. В свою очередь, это заставляет отдавать предпочтение блочно- иерархическому (фрактальному) устройству геосреды. Как известно, фрактальные модели каче- ственно меняют подходы к волновым явле- ниям. В частности, образование фрактальных агрегатов резко увеличивает мощность гене- рируемого в них излучения. Тем самым на- блюдаемые на земной поверхности вариации спонтанной ЭМИ и других геофизических полей могут интерпретироваться как прояв- ление детерминированного хаоса в иерархи- чески структурированной (фрактальной) гео- среде и, вообще говоря, являются продуктом эволюции перколяции. Таким образом, сейсмоэлектромагнитный шум литосферного происхождения — это уни- версальный эффект, не требующий специаль- ных условий формирования фрактальных объ- ектов и обусловленный наличием диффузии. Очевидно также, что электродинамика такой самоорганизующейся структуры оказывается тесно связанной с ее механикой, флюидоди- намикой и термодинамикой. Следовательно, истолкование результатов метода АСЭМЭЗ, как и его теоретическое обоснование, требу- ют значительно более детального, чем это при- нято в методе ЕИЭМПЗ, понимания свойств геосреды и особенностей ее электродинами- ки. Таким образом, электромагнитное поле, фиксируемое приборами на земной поверх- ности в рамках МАСЭМЭЗ, соответствует электромагнитным процессам иного типа, не- жели тем, что протекают вблизи этой грани- цы раздела. Ясно также, что в общем случае не существует модели геосреды, одинаковой для объяснения всех типов регистрируемых возмущений ЭМИ и соответственно общей для МАСЭМЭЗ и МЕИЭМПЗ. И хотя предпо- сылки такой идеологии были известны, пред- ставленный в работе подход к анализу спон- танной электромагнитной эмиссии, смена парадигмальной методологии исследований Рис. 8. Графики распределения исходного сигнала СЭМИ, зарегистрированные по профилю в северо-западной части шельфа Черного моря в 2007 г. (а) и в 2010 г. (б) соответственно с борта НИС «Владимир Паршин» [Богданов и др., 2007] и НИС «Профессор Водяницкий» [Коболєв, 2011]. МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 57 дают возможность получения качественно новой информации о геосреде и происходя- щих в ней процессах и, в известной степени, способствуют преодолению тенденции за- мыкания геоэлектрики в кругу собственных проблем. Можно надеяться, что мы являемся свидетелями формирования и становления нового метода геофизической разведки, ори- ентированного на изучение строения геосре- ды и геодинамических процессов в ней. Разумеется, разнообразие специфических ситуаций, природы вариаций ЭМИ, наличие шумов различного происхождения и нестацио- нарности способствуют появлению нескольких подходов к ее использованию при решении ак- туальных геолого-геофизических задач и, ко- нечно, требуют дальнейших исследований. Однако уже сейчас ясно, что эта область исследований и разработок, находящаяся в активной фазе развития, относится к чис- лу тех, которые определяют современный уровень геофизической науки и открывают «фундаментально новый путь исследования земных структур» [Malyshkov et al., 2011]. Именно поэтому необходимо продолжить ак- тивное накопление экспериментальных дан- ных и разработку соответствующих методов их истолкования. Приложение О классификации электромагнитных сигналов литосферного происхождения Как свидетельствует обширный эксперимент, наблюдается большое разнообразие электро- магнитных возмущений, регистрируемых на земной поверхности или приземной атмосфере в исключительно широком диапазоне частот — от 10 4 до 106 Гц и выше. Одни из них возбужда- ются в атмосфере (грозовые разряды, предгрозовое излучение, непрерывно-шумовое радио- излучение грозовых облаков, циклонов), другие — в магнитосфере и ионосфере в результате взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем или проникают в магнитосферу и да- лее в атмосферу из межпланетной среды, третьи генерируются внутриземными источниками. Как известно, подавляющая часть энергии электромагнитного поля концентрируется в глав- ном геомагнитном поле Земли, источники которого находятся в земном ядре. В представляю- щем для нас интерес диапазоне частот наиболее мощные и постоянно функционирующие ис- точники возмущений электромагнитного поля располагаются в ионосфере и магнитосфере. Излучение, генерируемое в геосреде, традиционно связывают с образованием заряженных дислокаций, трещинообразованием, электрокинетическими явлениями, релаксационными и разрядными процессами, пьезоэффектом и др. Однако механизмы преобразования энергии движения горных пород в энергию электромагнитного поля, несмотря на усилия многих ис- следователей, оказываются весьма сложными, запутанными и неясными. К настоящему времени нет четкой классификации электромагнитных сигналов литосфер- ного происхождения. Очевидно, наиболее содержательная попытка их классификации при- надлежит Т. В. Левшенко и А. В. Гульельми [Левшенко, 1995; Гульельми, 2007]. В соответствии с их схемой, выделено два типа электромагнитных возмущений, генерация которых может про- исходить как спонтанно, т. е. вне непосредственной связи с проявлением сейсмичности, так и вынужденно, вследствие движения горных пород при сейсмическом воздействии. Сигналы этого типа разделяются на три вида, в зависимости от того, генерируются ли они в очаге сейс- мического события, на фронте сейсмической волны или возбуждаются сейсмической волной, достигшей пункта регистрации. При этом каждый из этих трех видов вынужденных сигналов может возбуждаться в результате действия деформационного, индукционного или инерцион- ного механизмов генерации, которые, в свою очередь, подразделяются в зависимости от того, какой тип движения элемента литосферы ответственен за генерацию — вектор перемещений, скорость деформации или ускорение. С учетом четырех механизмов генерации — индукционного, инерционного, деформацион- ного и пьезомагнитного, А. В. Гульельми предложено достаточно общее линейное уравнение генерации переменного магнитного поля, учитывающего основные элементы механики гор- ных пород — ускорения, деформацию и напряжение. При его выводе предполагалось, что про- В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 58 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 водимость горных пород , параметры механомагнитной трансформации, а также сторонние поля E0 и 0, присутствующие в среде, однородно распределены в пространстве и не зависят от времени [Гульельми, 2007]. Отмечается, что полученное уравнение генерации следует решать при заданном движении среды. Однако уравнение содержит, по меньшей мере, пять феноме- нологических параметров, без информации о которых его решение в значительной степени теряет смысл. В столь сложной и неопределенной ситуации, очевидно, кажется более продук- тивным классифицировать литосферные сигналы, опираясь на тип постулируемой модели гео- среды. Исходя из приведенных в работе мотивов, можно попытаться конкретизировать пред- ложенную В. Т. Левшенко и А. В. Гульельми схему классификации ЛЭМС, представив ее в следующем схематическом виде. Классификация электромагнитных излучений, регистрируемых на земной поверхности и в приземной атмосфере Атмосферные источники: грозовые разряды; непрерывно-шумовое радио- излучение грозовых облаков и циклонов; предгрозовое излучение и др. Электромагнитные излуче- ния, регистрируемые на гра- нице «земля—воздух» Излучения антропогенного происхождения: электро- радиоустановки, ЛЭП, шумы двигателей и др. Вынужденное электромагнитное излучение Спонтанная электромагнитная эмиссия Теоретическая основа описания: классическая электродинамика сплошных сред. Теоретическая основа описания: электродинами- ка фрактальных сред. Модель геосреды: пассивный проводящий конти- нуум (сплошная среда). Это пористая влагонасы- щен ная среда, обладающая магнитной структурой и находящаяся в подмагничивающем поле земно- го ядра. Модель геосреды: дискретная иерархически структурированная (фрактальная) среда — откры- тая диссипативная самоорганизующаяся система, через которую осуществляется непрерывный пе- ренос энергии и вещества из недр Земли. Исходный принцип истолкования: принимается, что процессы в геосреде и в лабораторных усло- виях принципиально не различаются; осущест- вляется перенос на геосреду результатов лабора- торного моделирования процессов разрушения образцов горных пород, сопровождаемых генера- цией ЭМИ. На этой основе проводится построе- ние самосогласованной системы уравнений клас- сической электродинамики и механики сплошной среды. Исходный принцип истолкования: принимается, что в геосреде как в открытой неравновесной са- моорганизующейся системе реализуются и прин- ципиально новые явления, в том числе высокоча- стотный сейсмический и электромагнитный шум как неизбежный результат процессов диссипации поступающей из недр энергии. В соответствии с флуктуационно-диссипативной теоремой стати- стической физики, механизм любой диссипации одновременно является и механизмом рождения флуктуаций, в результате в литосфере формиру- ется собственное акустосейсмоэлектромагнитное поле, тесно связанное со строением и динамикой геосреды, эволюционирующее во времени и в пространстве. Источники излучения: электрическая поляриза- ция среды, возникающая при механических на- пряжениях в кристаллах диэлектрика, в минера- Источники сейсмической и электромагнитной эмиссии: переходное фрактальное излучение (рас- сеяние), возникающее при прохождении фрон- Магнитосферно-ионосферные Литосферные источники МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 59 лах и горных породах, либо электризация — по- явление избыточного электрического заряда; в качестве возможной причины поляризации среды рассматривается также пьезоэффект. та (всплеска) диэлектрической проницаемости на зарядах, сгустках зарядов, диполях, содержащих- ся или возникающих в геосреде при его распро- странении. Описание излучения: в виде плоских монохрома- тических волн, характеризующихся определен- ными значениями круговой частоты и волнового вектора k. Нормальные волны — все пропорцио- нальные множителю exp[i(kr– t] решения одно- родных уравнений Максвелла. Описание излучения: аналог нормальных волн — автоволны, характеристики которых определя- ются свойствами среды. Взаимодействуя и коор- динируясь между собой, в неоднородной геосреде они формируют стоячие волны. Использование таких понятий, как «лучевая траектория» или «лу- чевая оптика», проблематично. Уравнение генерации [Гульельми, 2007]: 2 2( ) ( ) ( ) 4 t c t t t B r, B r, c r, , где 0 0t vc v B E M , ( )1 11 2; i i ij oj n M p P Bl , , β, 1, λ2 — параметры механомагнитной транс- формации, V — скорость перемещения горных пород. Уравнение генерации [Шуман, 2010а, б]: ( , ) ( )i ij j i B t B F t r B , где 2 /4ij ijc — матрица диффузии, Fi(B) — не- линейная функция, определяемая динамичностью процессов в геосреде. Характерные величины и особенности: – длина волны в случае слабопоглощающей сре- ды; – глубина проникновения в случае наличия по- глощения (диффузионное приближение); – обычно используют два диапазона наблюде- ний [Сурков, 2000]: OHЧ (VLF) с источниками из- лучения в приповерхностных слоях земной коры, связанными в основном с микрорастрескиванием пород, и CHЧ (ULF) с источниками, которые нахо- дятся в области подготовки очагов сейсмических событий и обусловлены нестационарным течени- ем порового флюида сквозь растрескивающуюся породу. Характерные величины и особенности: – наличие конуса рассеяния; – наличие нетипичных явлений в виде доми- нантных частот, механизмов переноса энергии колебаний в более низкочастотную или более вы- сокочастотную области; наличие необычной зави- симости от структуры геосреды и слабой — от ее электромагнитных параметров разреза; – высокая чувствительность к внешним воздей- ствиям: процессам дегазации земных недр, при- ливным воздействиям и др. Список литературы Айзенберг-Степаненко М. В., Шер Е. Н. Моделиро- вание волновых явлений в структурированных средах // Физ. мезомеханика. — 2007. — 10, № 1. — С. 47—57. Бессмертный А. Ф., Соломатин В. Н. Решение инженерно-геологических задач на основа- нии результатов наблюдений естественного импульсного электромагнитного поля Земли // Геофиз. журн. — 1999. — 21, № 1. — С. 119—126. Богданов Ю. А., Бондаренко Н. В., Захаров И. Г., Лой- ко Н. П., Лукин В. В., Черняков А. М., Чертов О. Р. Аппаратурно-методическое обеспечение мето- да анализа спонтанной электромагнитной эмис- сии Земли // Геофиз. журн. — 2009а. — 31, № 4. — С. 34—43. Богданов Ю. А., Коболев В. П., Русаков О. М., За- харов И. Г. Геополяритонное зондирование га- зоносных структур северо-западного шельфа Черного моря // Геология и полезные ископае- мые Мирового океана. — 2007. — 22, № 4. — С. 37—61. Богданов Ю. А., Павлович В. Н., Шуман В. Н. Спон- танная электромагнитная эмиссия литосферы: состояние проблемы и математические модели // Геофиз. журн. — 2009б. — 31, № 4. — С. 20—33. Болотов В. Н. Обобщенная функция Кантора и пе- реходное фрактальное рассеяние // Журн. техн. физики. —2002. — 72, вып. 2. — С. 8—15. Васильев А. Н., Романовский Ю. М., Яхно В. Г. Ав- товолновые процессы в распределенных кине- тических системах // Успехи физ. наук. — 1979. — 128, вып. 4. — С. 625—666. Виноградов Е. А., Дорофеев И. А. Термостимули- рованные электромагнитные поля твердых В. Н. ШУМАН, В. П. КОБОЛЕВ, В. И. СТАРОСТЕНКО, И. Б. БУРКИНСКИЙ И ДР. 60 Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 тел // Успехи физ. наук. — 2009. — 179, № 5. — С. 449—485. Вол А., Гилат А. Первичные водород и гелий как источники энергии землетрясений // Генезис углеводородных флюидов и месторождений. — Москва: ГЕОС, 2006. — С. 160—166. Воробьев А. А. О возможности возникновения электрических разрядов в недрах Земли // Гео- логия и геофизика — 1970. — № 12. — С. 3—13. Воробьев А. А. Равновесие и преобразование видов энергии в недрах. — Томск: Изд-во Томского ун-та, 1980. — 211 с. Геншафт Ю. С. Земля — открытая система: геоло- гические и геофизические следствия // Физика Земли. — 2009. — № 8. — С. 4—12. Гийон Э., Митеску К. Д., Юлен Ж.-П., Ру С. Фрак- талы и перколяция в пористой среде // Успехи физ. наук. — 1991. — 161, № 10. — С. 121—128. Гохберг М. Б., Моргунов В. А., Похотелов О. А. Сейс- моэлектромагнитные явления. — Москва: Нау- ка, 1988. — 174 с. Гульельми А. В. Инерционные эффекты в коре и магнитосфере Земли // Физика Земли. — 2006. — № 1. — С. 50—56. Гульельми А. В. Ультранизкочастотные волны в коре и в магнитосфере Земли // Успехи физ. наук. — 2007. — 177, № 12. — С. 1257—1276. Гуфельд И. Л. Сейсмический процесс. Физико- химические аспекты. — Королев: ЦНИИМам, 2007. — 160 с. Давыдов В. А., Зыков В. С., Михайлов А. С. Кине- матика автоволновых структур в возбудимых средах // Успехи физ. наук. — 1991. — 161, № 8. — С. 45—86. Даниленко В. А. К теории движения блочно- иерархических геофизических сред // Докл. АН Украины. — 1992. — № 2. — С. 87—90. Дубровский В. А., Сергеев В. Н. Кратко- и средне- срочные предвестники землетрясений как проявление нестабильности скольжения вдоль разломов // Физика Земли. — 2006. — № 10. — С. 11—18. Дурандин А. В. Структурно-тектонический анализ данных дистанционного зондирования Зем- ли // Геоматика (Geomatics). — 2011. — № 1. — С. 48—51. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е., Логинова В. И. Твердотельные фрактальные структуры // Аль- тернативная энергетика и экология. — 2005. — № 9 (29). — С. 56—66. Зосимов В. В., Лямшев Л. М. Фракталы в волновых процессах // Успехи физ. наук. — 1995. — 165, № 4. — С. 362—402. Ильинский Ю. А., Келдыш Л. В. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. — Москва: Изд-во Моск. ун-та, 1989. — 304 с. Кадомцев Б. Б. Динамика и информация // Успехи физ. наук. — 1994. — 164, № 5. — С. 449—531. Коболєв В. П. Дослідно-методична комплексна геолого-геофізична експедиція 66-го рейсу НДС «Професор Водяницький» в західній час- тині Чорного моря // Геолог України. — 2011. — № 1. — С. 40—62. Кузнецов С. П. Динамический хаос и однородно- гиперболические аттракторы: от математики к физике // Успехи физ. наук. — 2011. — 181, № 2. — С. 121—148. Левшенко В. Т. Сверхнизкочастотные электромаг- нитные сигналы литосферного происхождения: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. — Москва: ОНФЗ РАН, 1995. — 36 с. Николаев А. В. Развитие методов нелинейной гео- физики // Электронный научно-информац. журн. «Вестник ОГГГГГ РАН», ОНФЗ РАН. — 2002. — № 1 (20). Ночвай М. В., Маркова Г. Г., Гірняк Л. І. Звіт про пошукові і сейсморозвідувальні роботи МВХ СГТ на Керченському шельфі Чорного моря в 2001—2003 рр. (титул 406). — Київ: ДГП «Укргеофізика», 2003. — 96 с. Раутиан С. Г. Об отражении и преломлении на гра- нице среды с отрицательной групповой скоро- стью // Успехи физ. наук. — 2008. — 178, № 10. — С. 1017—1024. Садовский М. А. Геофизика и физика взрыва. Из- бранные труды. — Москва: Наука, 2004. — 440 с. Садовский М. А., Писаренко В. Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. — Москва: Наука, 1991. — 96 с. Спивак А. А., Кишкина С. Б. Исследование микро- сейсмического фона с целью определения ак- тивных тектонических структур и геодинами- ческих характеристик среды // Физика Земли. — 2004. — № 7. — С. 35—49. Старостенко В. И., Даниленко В. А., Венгрович Д. Б., Кутас Р. И., Стифенсон Р. А., Столба С. Н. Мо- делирование эволюции осадочных бассейнов с учетом структуры природной среды и процес- сов самоорганизации // Физика Земли. — 2001. — № 12. — С. 40—51. Старостенко В. И., Лукин А. Е., Коболев В. П., Руса- МЕТОД АНАЛИЗА СПОНТАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ЗЕМЛИ: ... Геофизический журнал № 4, Т. 34, 2012 61 ков О. М., Орлюк М. И, Шуман В. Н., Омельчен- ко В. Д., Пашкевич И. К., Толкунов А. П., Богда- нов Ю. А., Буркинский И. Б., Лойко Н. П., Федо- това И. Н., Захаров И. Г., Черняков А. М., Купри- енко П. Я., Макаренко И. Б., Легостаева О. В., Лебедь Т. В., Савченко А. С. Модель глубинного строения Донецкого складчатого сооружения и прилегающих структур по данным региональ- ных геофизических наблюдений // Геофиз. журн. — 2009. — 31, № 4. — С. 44—68. Сурков В. В. Электромагнитные эффекты при зем- летрясениях и взрывах. — Москва: Изд. Моск. инж.-физ. ин-та, 2000. — 235 с. Цифра И. М., Шуман В. Н. Параболические систе- мы типа «реакция—диффузия» при моделиро- вании процессов генерации и распространения электромагнитной эмиссии литосферы и мето- ды их анализа // Геофиз. журн. — 2010. — 32, № 5. — С. 51—60. Чебан В. Д. Метод природного імпульсного елек- тромагнітного поля Землі. Деякі аспекти засто- сування // Геофиз. журн. — 2001. — 23, № 4. — С. 112—121. Шуман В. Н. Геосреда и сейсмический процесс: проблемы управления // Геофиз. журн. — 2011. — 33, № 2. — С. 16—27. Шуман В. Н. Концепция динамически неустойчи- вой геосреды и сейсмоэлектромагнитный шум литосферы // Геофиз. журн. — 2010б. — 32, № 6. — С. 101—118. Шуман В. Н. Электродинамика геосреды и методы геоэлектрики // Геофиз. журн. — 2010а. — 32, № 2. — С. 28—42. Шуман В. Н. Электромагнитные сигналы литосфер- ного происхождения в современных наземных и дистанционных зондирующих системах // Геофиз. журн. — 2007. — 29, № 2. — С. 3—16. Шуман В. Н. Электродинамика фрактальных сред, переходное фрактальное рассеяние и электро- магнитный шум литосферы // Геофиз. журн. — 2012а. — 34, № 1. — С. 3—13. Шуман В. Н. Электромагнитная эмиссия литосфе- ры: всегда ли мы адекватно трактуем то, о чем как будто знаем? // Геофиз. журн. — 2012б. — 34, № 2. — С. 4—19. Шуман В. Н., Богданов Ю. А. Электромагнитная эмиссия литосферы: пространственная струк- тура и возможные механизмы генерации // Гео- физ. журн. — 2008. — 30, № 6. — С. 39—50. Шуман В. Н., Коболев В. П., Богданов Ю. А., Заха- ров И. Г., Яцюта Д. А. Спонтанное электромаг- нитное излучение на акваториях: новый экспе- римент и приложения // Геофиз. журн. — 2011. — 33, № 4. — С. 33—49. Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phe- nomena Associated with Earthquakes / Ed. M. Ha- yakawa. — Tokyo: Terra Sci. Publish. Company, 1999. — 996 p. Gershenzon N., Bambakidis G. Modeling of seismo- electromagnetic phenomena // Rus. J. Earth Sci. — 2001. — 3, № 4. — P. 247—275. Gufeld I. L., Matveeva M. I., Novoselov O. N. Why we cannof predict strong earthquakes in the Earth’s crust // Geodynamics and Tectonoplysics. — 2011. — 2, № 4. — Р. 378—415. — DOI:10.5800/ GT2011240051. Malyshkov S. Yu., Malyshkov Yu. P., Gordeev V. F., Shta- lin S. G., Polivach V. J., Bazhanov Y. Y., Hanan T. Cor- nell University Library, arhiv. org /Pdf/ 11.02.0125. Submitted от 1 Feb. 2011.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-97831
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0203-3100
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:37:54Z
publishDate	2012
publisher	Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Шуман, В.Н. Коболев, В.П. Старостенко, В.И. Буркинский, И.Б. Лойко, Н.П. Захаров, И.Г. Яцюта, Д.А. 2016-04-04T05:44:34Z 2016-04-04T05:44:34Z 2012 Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент / В.Н. Шуман, В.П. Коболев, В.И. Старостенко, И.Б. Буркинский, Н.П. Лойко, И.Г. Захаров, Д.А. Яцюта // Геофизический журнал. — 2012. — Т. 34, № 4. — С. 40-61. — Бібліогр.: 63 назв. — рос. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97831 550.837 Проаналізовано існуючі і нові підходи до аналізу спонтанної електромагнітної емісії, генерованої літосферою в широкому діапазоні частот. Розгляд проблемних і дискусійних питань її генерації й поширення, також деяких результатів польових експериментів дозволив підкрес-лити спільність і різницю методів природного імпульсного електромагнітного поля Землі та аналізу спонтанної електромагнітної емісії Землі, намітити контури і перспективи їх практич-ного використання. Existing and new approaches to the analysis of spontaneous electromagnetic emission generated by the lithosphere in the wide frequency range outlined lately have been analyzed in the article. Considerations of a set of problems and controversial topics of its generation and propagation and some results of field experiments permitted to accentuate the commonness and differences of methods of natural impulse electromagnetic field of the Earth measurements and analysis of spontaneous electromagnetic emission of the Earth, to outline the contours and perspectives of their practical application. В статье проанализированы существующие и наметившиеся в последнее время новые подходы к анализу спонтанной электромагнитной эмиссии, генерируемой литосферой в широком диапазоне частот. Рассмотрение ряда проблемных и дискуссионных вопросов ее генерации и распространения и некоторых результатов полевых экспериментов позволило подчеркнуть общность и различие методов естественного импульсного электромагнитного поля Земли и анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли, наметить контуры и перспективы их практического использования. ru Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент Метод аналізу спонтанної електромагнітної емісії Землі: фізичні передумови, елементи теорії, польовий експеримент A method of analysis of spontaneous electromagnetic emission of the Earth: physical backgrounds, elements of theory, field experiment Article published earlier
spellingShingle	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент Шуман, В.Н. Коболев, В.П. Старостенко, В.И. Буркинский, И.Б. Лойко, Н.П. Захаров, И.Г. Яцюта, Д.А.
title	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
title_alt	Метод аналізу спонтанної електромагнітної емісії Землі: фізичні передумови, елементи теорії, польовий експеримент A method of analysis of spontaneous electromagnetic emission of the Earth: physical backgrounds, elements of theory, field experiment
title_full	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
title_fullStr	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
title_full_unstemmed	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
title_short	Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
title_sort	метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97831
work_keys_str_mv	AT šumanvn metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT kobolevvp metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT starostenkovi metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT burkinskiiib metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT loikonp metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT zaharovig metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT âcûtada metodanalizaspontannoiélektromagnitnoiémissiizemlifizičeskiepredposylkiélementyteoriipolevoiéksperiment AT šumanvn metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT kobolevvp metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT starostenkovi metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT burkinskiiib metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT loikonp metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT zaharovig metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT âcûtada metodanalízuspontannoíelektromagnítnoíemísíízemlífízičníperedumovielementiteoríípolʹoviieksperiment AT šumanvn amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT kobolevvp amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT starostenkovi amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT burkinskiiib amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT loikonp amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT zaharovig amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment AT âcûtada amethodofanalysisofspontaneouselectromagneticemissionoftheearthphysicalbackgroundselementsoftheoryfieldexperiment

Метод анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли: физические предпосылки, элементы теории, полевой эксперимент

Institution

Similar Items