CC BY
51
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
УДК 621.371
Нагуслаева Идам Батомункуевна,
к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, раб. тел.: (3012) 43-32-10, e-mail: [email protected] Башкуев Юрий Буддич,
д. т. н., профессор, зав. лабораторией геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем
Бурятского научного центра СО РАН, профессор кафедры «Телекоммуникационные системы» ИрГУПС,
e-mail: [email protected] Хаптанов Валерий Бажеевич, к. ф.-м. н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН,
раб. тел.: (3012) 43-32-10 Дембелов Михаил Георгиевич, научный сотрудник лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН,
раб. тел.: (3012) 43-32-10
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМНОЙ ВОЛНЫ НАД УЗКИМИ ТЕКТОНИЧЕСКИМИ РАЗЛОМАМИ
I.B. Naguslaeva, Yu.B. Bashkuev, V.B. Khaptanov, M.G. Dembelov
ELECTROMAGNETIC FIELD OF A GROUND WAVE OVER NARROW TECTONIC FAULTS
Аннотация. Рассмотрено распространение земной волны в диапазоне 1-20 МГц над тектоническими разломами шириной до 1 км. Показано, что электромагнитный «образ» тектонического разлома представляет, как правило, зону повышенной электропроводности с резко очерченными границами. Предложен метод выделения зоны разлома по изменению электромагнитного поля в диапазоне 10-20 МГц на короткой (до 10 км) трассе распространения радиоволн.
Ключевые слова: земная волна, тектонический разлом.
Abstract. Propagation of a ground wave is considered in a range of 1-20 MHz over tectonic faults up to 1 km wide. It is shown that electromagnetic "image" of a tectonic fault generally represents a zone of increased electroconductivity with sharply outlined borders. The range of frequencies is defined in which the fault zone is shown most notably in an electromagnetic field. The allocation method of a fault zone is offered based on a change of an electromagnetic field of a range of 10-20 MHz on a short (up to 10 km) line of radio-waves propagation.
Keywords: ground wave, tectonic fault.
Введение. В настоящее время в мире активно развивается новое научное направление радиофизики - сейсмоэлектромагнетизм, включающее в себя распространение сейсмоэлектромагнитных эмиссий в СНЧ-СВЧ диапазонах [1, 2]. Проведенный обзор литературы по электромагнитным процессам в нагруженных горных породах [3] указал на решающее значение для эффективности сей-смопрогностических работ выбора места расположения пункта наблюдения с соответствующим типом подстилающей среды. С точки зрения распространения радиоволн, это задача о влиянии «посадочной площадки» на чувствительность и, в целом, эффективность работы сейсмоэлектромаг-нитного приемно-регистрирующего комплекса. Наиболее интересными с этой точки зрения являются зоны разломов в земной коре, которая разбита разломами на отдельные блоки. На рис. 1 представлен фрагмент карты разломов земной коры Баргузинской рифтовой впадины. Из легенды к карте следует, что региональные и локальные разломы могут быть достоверными и предполагаемыми, т. е. их существование требуется доказать каким-либо радиогеофизическим методом. Ширина таких разломов может варьироваться в широ-
ких пределах - от первых десятков метров до первых километров.
метод численного решения интегрального уравнения Хаффорда [4]:
>Ш i* < *> •
" o
W (R) = 1 + i
1 д г
S( x) + (1--—) д-Г2-
ikr2 д n
exp[ik(r + r - Г )]dx
(1)
Рис. 1. Карта разломно-блокового строения земной коры Баргузинской рифтовой впадины и сопредельной территории: 1 - достоверные (а) и предполагаемые (б) региональные разломы; 2 - достоверные (а) и предполагаемые (б) локальные разломы; 3 - сбросы (а) и сдвиги (б)
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование радиофизического метода выделения зоны разлома по изменению электромагнитного поля на короткой (до 10 км) трассе распространения радиоволн.
Решаемые задачи. 1) моделирование распространения земной волны над тектоническими разломами в диапазоне 1 - 20 МГц; 2) измерения естественного электромагнитного поля над зоной разлома в ОНЧ диапазоне.
Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. В работе [3] предложена и обоснована геоэлектрическая модель зоны разлома, необходимая для расчетов распространения сейсмогенных электромагнитных эмиссий.
Геоэлектрическая модель разлома представляет, как правило, линейную зону повышенной электропроводности с резко очерченными границами. Модель расчетной трассы распространения длиной 10 км представляет кристаллический массив с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) 1000 Омм и диэлектрической проницаемостью е =10, разбитый двумя проводящими разломами с УЭС 10 Ом-м и е =10, шириной по 1 км. Первый разлом отстоит от излучателя на расстоянии 5 км, второй разлом - на расстоянии 7 км (рис. 2).
В настоящее время наиболее распространенным методом расчета функции ослабления над электрически неоднородными трассами является
cos i^yjx(R - x)
где x - расстояние вдоль поверхности Земли между источником и точкой интегрирования; r0, r1t r2 -расстояния по прямой между источником и приемником, источником и точкой интегрирования, приемником и точкой интегрирования соответственно; n - внешняя по отношению к Земле нормаль в точке интегрирования: у - угол между радиусом Земли и внешней нормалью в точке интегрирования. Электрические неоднородности трассы учитываются зависимостью импеданса от расстояния 8(х). Для численного интегрирования уравнения (1) используется алгоритм, основанный на методе конечных сумм. В табл. 1 приведен поверхностный импеданс кристаллического массива и зоны разлома на частотах 1, 3, 10 и 20 МГц.
Таблица 1
Кристаллический массив Зона разлома
f, МГц |S| Ф8, град |S| Ф8, град
1 0,218 -29 0,023 -44,8
3 0,282 -14 0,04 -44,5
10 0,298 -4,5 0,075 -43,3
20 0,299 -2,3 0,105 -41,5
Расчеты в диапазоне 1 - 20 МГц для 5-кусочной модельной трассы с двумя тектоническими разломами шириной 1 км показывают ярко выраженный эффект «восстановления» поля над зоной разлома (рис. 2).
Эффект усиливается с ростом частоты. Так, на частоте 1 МГц поле над разломной зоной увеличилось незначительно, всего на 810 мкВ/м, а на частоте 20 МГц увеличение поля очень заметно и составляет 2,4 раза относительно поля перед разломом. Из графиков следует, что выделение зоны разлома по изменению электромагнитного поля на короткой радиотрассе лучше всего проводить в диапазоне от 10 до 20 МГц.
Отметим, что в работе [5] численные расчеты в диапазоне 2-1000 кГц для модельной трассы с шириной разлома в 10 км также показали ярко выраженный эффект «восстановления» поля над зоной разлома на частотах от 300 до 1000 кГц. Из
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
общего анализа данных следует, что оптимальный диапазон частот для выделения зоны разлома зависит от его ширины. Для разломов шириной от 100 м до 1000 м лучше всего проводить измерения уровня поля на частотах 10-20 МГц.
увеличения ОНЧ-импульсного потока над разлом-ной зоной интерпретируется нами не как лито-сферное ОНЧ-излучение («литосферики»), идущее из земной коры, а как результат увеличения уровня естественного поля над более проводящей зоной разлома (эффект «посадочной» площадки). Численные расчеты распространения радиоволн в ОНЧ-НЧ-СЧ-ВЧ диапазонах и измерения естественного поля над разломной зоной показывают увеличение поля над зоной разлома. Таким образом, над разломными зонами имеет место эффект «восстановления» поля типа «суша-море», т. е. уровень электромагнитного поля над разломом будет всегда повышаться из-за влияния «посадочной» площадки, имеющей высокую электропроводность. Этот эффект может быть использован для поиска предполагаемых разломов в сейсмоактивных районах. Методика эксперимента должна быть близкой к методике, описанной в работе [6].
Рис. 2. Модуль функции ослабления и уровень поля земной волны на частотах 1,3, 10 и 20 МГц над зонами разломов
Натурный эксперимент и интерпретация полученных данных. Естественное поле регистрировалось на разломе «Саженная» на частоте 14,5 кГц с помощью полевого многоканального геофизического регистратора МГР-01 поперек оси разлома с шагом 50 м на 14 пикетах. Эксперимент проведен в полуденное время в конце октября 2008 года. Время измерений на пикете составляло 5 мин [5]. В результате измерений магнитной компоненты естественного поля по двум направлениям приема «север-юг» и «запад-восток» (рис. 3) установлен повышенный уровень случайного ОНЧ-импулъсного потока над зоной разлома (на рис. 3 зона разлома начинается с расстояния 150 м и выделена утолщенной линией). Одновременно на базовой станции «Верхняя Березовка» в окрестности г. Улан-Удэ с помощью стационарного комплекта МГР-01 регистрировалась та же магнитная компонента естественного поля. Её интенсивность по направлениям приема «север-юг» и «запад-восток» за каждые 5 минут измерений не превышала 90 импульсов. При сопоставлении одновременных измерений обнаружено, что увеличение числа импульсов над зоной разлома «Саженная» составляет десятки и сотни раз. Эффект
Рис. 3. Интенсивность импульсного потока магнитной компоненты естественного поля на разломе «Саженная»
Выводы. На основе геоэлектрической модели тектонического разлома [3] предложен метод выделения зоны разлома шириной до 1 км по существенному увеличению уровня поля над разломом в диапазоне 10-20 МГц на короткой радиотрассе. Модельные расчеты и измерения естественного электромагнитного поля над зоной разлома в ОНЧ диапазоне свидетельствуют о целесообразности развития данного направления исследований в области радиофизической диагностики тектонических разломов. Привлечение повышенного внимания к этому новому для радиофизики объекту исследований имеет важное практическое применение в области сейсмоэлектромагнетизма и электромагнитной экологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК 4.
1. Molchanov O. A., Hayakawa M. Seismo Electromagnetics and Related Phenomena: History and Latest Re- 5. suits // TERRAPUB. Tokyo, Japan. 2008. 189 p.
2. Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes // Ed. M. Hayakawa ; Published by Transworld Research Network. Kerala, India, 2009. 279 p.
3. Нагуслаева И. Б. Исследование электрических 6. свойств подстилающей среды и пространственно-временных характеристик электромагнитного поля
по данным радиоизмерений и моделирования : дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук / ОФП БНЦ СО РАН. Улан-Удэ, 2009. 141 с.
Hufford G. A. An Integral Equation Approach to the Problem of Wave Propagation over an Irregular Surface // Quart. 1952. Vol. 9. Appl. Math. P. 391-404. Радиофизическая диагностика зон тектонических нарушений / Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Нагуслаева И. Б., Буянова Д. Г., Адвокатов В. Р., Дем-белов М. Г. // Журнал радиоэлектроники. № 10. 2010. С. 405-421.
Поверхностные электромагнитные волны над двухслойной средой «лед-соленая вода». Результаты эксперимента / Башкуев Ю. Б., Хаптанов В. Б., Дембелов М. Г., Нагуслаева И. Б. // Журнал радиоэлектроники. 2010. № 10. С. 382-393.
УДК 546.49:551.578.4.504.064.36 Скворцов Валерий Александрович,
д. г-м. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология», ИрГУПС
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МИГРАЦИИ РТУТИ ИЗ СНЕЖНОГО ПОКРОВА ВБЛИЗИ ПРЕДПРИЯТИЙ ХИМИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
V.A. Skvortsov
MODELING THE PHYSICO-CHEMICAL CONDITIONS OF MERCURY TRANSPORT FROM SNOW COVER NEAR CHEMICAL FACTORY
Аннотация. Впервые смоделированы термодинамические условия поведения субмикроскопических (10— мм и менее) твёрдых кристаллических частиц ртути и аэрозолей из снежного покрова при взаимодействии их с окружающей средой вблизи городов Усолье-Сибирское и Ангарск Иркутской области, где преобладают профильные предприятия химической промышленности.
Ключевые слова: физико-химические (термодинамические) условия, перенос ртути, твёрдые частицы аэрозолей, снежный покров, предприятия химической промышленности.
Abstract. Thermodynamic conditions monitoring of the mercury and solid aerosol particles from snow cover performance have been modeled for the first time. The modeling has been conducted near the towns of Usolye-Sibirskoye, Angarsk wich are the center of the chemical industry of Irkutsk region.
Keywords: physico-chemical (termodynamic) conditions, mercury transport, solid aerosols, snow cover, chemical factory.
Введение
Атмосферный аэрозоль, содержащий ртуть, образуется в результате выбросов в процессе технологических операций на промышленных предприятиях. Осаждаясь, он скапливается в снежном покрове, активно взаимодействует с окружающей средой и нарушает установившееся ранее экологическое равновесие.
Согласно статотчётности, только в 2007 году от стационарных источников химической промышленности в атмосферу поступило 15,3 тыс. т загрязняющих веществ, из них твёрдых 2,1 тыс. т, жидких и газообразных 13,2 тыс. т. Из специфических загрязняющих веществ в атмосферный воздух выброшено: 900,1 т дихлорэтана, 421,3 т мета-
