Тектономагнитный метод мониторинга напряженного состояния земной коры и его использование в Байкальском регионе и на Алтае П.Г.Дядьков ИНГГ СО РАН Лаборатория естественных геофизических полей

Терминология Тектономагнетизм – комплекс явлений в земной коре, вызывающих изменения постоянного магнитного поля и обусловленных геодинамическими и сейсмическими процессами: пьезомагнитные (магнитоупругие) эффекты – явление изменения намагниченности при его деформации - эффект, обратный магнитострикции. электрокинетические эффекты – возникновение электрического тока и, как следствие, магнитных эффектов при просачивании флюидов сквозь твердую матрицу горных пород.

Физический механизм магнитоупругого эффекта C = 1/ ο d dσ; Капица С.П., 1955 В перпендикулярном направлении: С = С F F где С – магнитоупругий (пьезомагнитный) коэффициент; Хо – магнитная восприимчивость образца горной породы до приложения нагрузки сжатия; dX – изменение магнитной восприимчивости под действием одноосной сжимающей нагрузки на образец в направлении действия этой нагрузки;

История развития метода в нашем Институте В конце 60-х годов прошлого столетия был предложен новый подход к изучению пьезомагнитного эффекта горных пород, который существенно повышал информативность тектономагнитного метода: Фотиади Э.Э., Каратаев Г.И., Ларионов В.А., Черемисин В.Г. К изучению пьезомагнитного эффекта реакции магнитовозмущающих тел на изменения напряжений в земной коре // Доклады АН СССР, 1969, т.187, 6, с – Кто работал по этой теме: В.А. Ларионов О. Федотова В.Г. Черемисин Н.А. Маркевич П.Г.Дядьков Д.А. Нагорский О.А. Михеев В. Храненко Аппаратурные разработки: Д.А. Нагорский (ИГиГ СО РАН),, М.А.Федотов (ИК СО РАН), С.Максимовских (ИГФ Уро РАН), Г.К. Жиров (Казгеофизприбор), В.П.Пак (Санкт-Петербург)

Схема сети пунктов тектономагнитных наблюдений на Байкальском геодинамическом полигоне с указанием участков. Рядовые пункты обозначены желтыми кружками, базовые пункты участков – красными кружками, магнитные обсерватории – треугольниками.

Подходы к решению обратной задачи магнитоупругого эффекта горных пород. Основной трудностью при решении обратной задачи магнитоупругого эффекта горных пород является то обстоятельство, что в нашем распоряжении имеется система линейных уравнений (полученная на основе магнитных наблюдений), состоящая только из 3-х уравнений, в то время как число неизвестных значений компонент тензора, характеризующего изменение напряженного состояния, равно шести. Подходы к решению: - изменение поляризации намагничивающего поля (искусственные или естественные источники); - проведение наблюдений над аномальными телами, направление вектора остаточной намагниченности у которых различно; - использование дополнительных знаний об ориентации осей главных напряжений.

Подходы к решению обратной задачи магнитоупругого эффекта горных пород. Предложена и реализована методика наблюдений и алгоритмы обработки, позволяющие найти k (при условии однородной намагниченности аномального тела и однородных изменениях компонент тензора напряжений в нем), выполняя векторные наблюдения магнитного поля в одном из пунктов над аномальным телом, либо проводя модульные наблюдения в 3-х пунктах. Проверка условия однородности – проведение наблюдений в дополнительных пунктах. Дополнительное условие для случая значимой остаточной намагниченности - определение фактора Кенигсбергера – Q. Тензор изменений напряженного состояния Изменение намагниченности за счет магнитоупругого эффекта Аномальное магнитное тело Пункт наблюдений в нормальном магнитном поле Пункты над аномальным телом Подходы к решению обратной задачи магнитоупругого эффекта горных пород. Предложена и реализована методика наблюдений и алгоритмы обработки, позволяющие найти k (при условии однородной намагниченности аномального тела и однородных изменениях компонент тензора напряжений в нем), выполняя векторные наблюдения магнитного поля в одном из пунктов над аномальным телом, либо проводя модульные наблюдения в 3-х пунктах. Проверка условия однородности – проведение наблюдений в дополнительных пунктах. Дополнительное условие для случая значимой остаточной намагниченности - определение фактора Кенигсбергера – Q. Тензор изменений напряженного состояния Изменение намагниченности за счет магнитоупругого эффекта Аномальное магнитное тело Пункт наблюдений в нормальном магнитном поле Пункты над аномальным телом

а б в г

Пример тектономагнитной аномалии, сопровождающей землетрясение Изменение аномального магнитного поля в июле - августе в пункте 3 на Никольской магнитной аномалии относительно пункта Быково, расположенного в нормальном магнитном поле. Верхняя кривая (dT) получена обычным способом - взятием разности синхронных значений; нижняя кривая (dT исп) получена путем исключения из dT ориентационных и индуктивных эффектов. Стрелкой обозначено землетрясение c M = 4.8, произошедшее г. в км от пунктов наблюдений.

Заключение 1.Разработана методика тектономагнитных наблюдений в аномальных магнитных полях, ориентированная на мониторинг напряженного состояния земной коры. 2.Предложены способы решения обратной задачи магнитоупругого эффекта горных пород. 3.С использованием магнитоупругой модели выполнена интерпретация ряда тектономагнитных аномалий, наблюдавшихся перед умеренными и сильными землетрясениями. 4.Разработано программное обеспечение для обработки первичных данных магнитных наблюдений – пакет MIES и для 3D интерпретации тектономагнитных аномалий – пакет Piezomag. 5. Анализ зарегистрированных тектономагнитных аномалий и результаты их интерпретации свидетельствуют: - о возможности контроля за изменениями напряженного состояния земной коры, вызванных региональными процессами; - при сильных и умеренных землетрясениях не во всех, но в большинстве случаев, регистрировались тектономагнитные аномалии при условии относительно близкого расположения их очагов от пунктов наблюдений – на расстоянии, как правило, до 5 L, где L – размер разрыва в очаге; - результаты интерпретации тектономагнитных аномалий, зарегистрированных перед землетрясениями, свидетельствуют о падении максимальных касательных напряжений на последнем этапе подготовки землетрясений, как правило, за несколько дней до главного события; - выполненные количественные приближенные оценки изменений напряженного состояния находятся в пределах от десятых долей до ~ 3 МПа.