авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ПО ДАННЫМ РАДИОИЗМЕРЕНИЙ И

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Нагуслаева Идам Батомункуевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ПО ДАННЫМ РАДИОИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Иркутск – 2010

Работа выполнена в лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН, г. Улан-Удэ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Башкуев Юрий Буддич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Сажин Виктор Иванович

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Козлов Владимир Ильич

Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики СО РАН

Защита диссертации состоится 29 апреля 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.074.04 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИГУ.

Автореферат разослан 16 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук,

доцент Б.В. Мангазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние 10-15 лет сформировалось новое научное направление радиофизики – сейсмоэлектромагнетизм [1-5], включающее в себя высокоразрешающее радиозондирование неоднородных сред и радиофизические наблюдения за сейсмоэлектромагнитными эмиссиями в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах. Исследования в этом направлении проводятся в Японии, США, Китае, Греции, Италии, Франции, Мексике, Индии и некоторых других странах. В России высокая сейсмическая активность наблюдается на Камчатке, в Байкальской рифтовой зоне, на Алтае и Кавказе. Важной составной частью сейсмоэлектромагнетизма является изучение электрических свойств (проводимости и диэлектрической проницаемости ) земной коры сейсмоактивных областей. Это объясняется тем, что землетрясения как импульсные механические процессы всегда происходят в земной коре. Обзор литературы показал, что неоднородное распределение электрических свойств подстилающей среды в сейсмоактивной Байкальской Сибири исследовано недостаточно полно и всесторонне. В работе электрические свойства неоднородных природных сред рассматриваются с точки зрения взаимодействия среды и электромагнитных волн с использованием теории распространения радиоволн над импедансными структурами. При мониторинге электромагнитных процессов в нагруженных горных породах большое значение для его эффективности имеет выбор места расположения пункта наблюдения с соответствующим типом подстилающей среды. Наиболее интересными с этой точки зрения являются зоны разломов в земной коре, которые имеют длину до сотен километров и ширину от единиц метров до десятков километров. Анализ литературных данных показал, что радиофизическая модель разлома не создана. Поэтому одним из объектов исследований стали зоны разломов в земной коре. Одним из наиболее интересных типов подстилающей среды для выбора места расположения приемной аппаратуры являются слоистые среды типа "диэлектрик на проводнике", имеющие сильно-сильноиндуктивный поверхностный импеданс, например, "лед-соленая вода". С точки зрения радиофизики это задача о влиянии "посадочной" площадки на чувствительность и, в целом, эффективность работы сейсмоэлектромагнит-ного приемного комплекса. Аналогичные исследования в России и других странах в данном направлении не проводились. Таким образом, тема диссертации актуальна и находится в русле мировых научных приоритетов в области сейсмоэлектромагнетизма.



Целью работы является определение электрических свойств подстилающей среды Байкальской Сибири, оценка их влияния на распространение широкополосных электромагнитных эмиссий и определение пространственно-временных характеристик естественного ОНЧ-электромагнитного поля по данным радиоизмерений и моделирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1) по данным радиоимпедансных зондирований, фондовым материалам электроразведки определить электрические свойства и геоэлектрическое строение сейсмоактивной Байкальской Сибири, создать карты ее геоэлектрического разреза;

2) оценить количественно влияние электрических характеристик и рельефа местности на распространение ОНЧ-НЧ электромагнитных волн над слоисто-неоднородными средами;

3) определить пространственно-временные характеристики ОНЧ естествен-ного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) по данным многолетнего радиомониторинга и моделирования;

4) по данным мониторинга ЕИЭМПЗ провести корреляционный анализ электромагнитного и сейсмического процессов с целью выявления аномального изменения магнитной компоненты ЕИЭМПЗ перед землетрясениями;

5) усовершенствовать методику радиоволновых ОНЧ-НЧ-СЧ измерений и моделирования естественных и искусственных электромагнитных полей.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- созданы карты геоэлектрических разрезов Байкальской Сибири и Иволгинской впадины, необходимые для расчетов распространения радиоволн над слоисто-неоднородными средами;

- предложена и численно исследована модельная радиотрасса с пространственным изменением импеданса ~cos(mR) периодической рельефной поверхности; определено количественно влияние двухслойной структуры "лед-соленая вода" на распространение поля земной волны;

- предложен способ определения поверхностного импеданса двухслойной структуры "диэлектрик на проводнике" по величине электропроводности проводника и толщине диэлектрика;

- создана электромагнитная модель разлома и проведено моделирование условий распространения радиоволн над ним; установлен повышенный уровень ОНЧ импульсного потока ЕИЭМПЗ над зоной разлома, обусловленный увеличением уровня поля над более проводящей средой;

- определены пространственно-временные характеристики ЕИЭМПЗ в ОНЧ диапазоне; обнаружено аномальное уменьшение уровня ЕИЭМПЗ перед сильными землетрясениями – эффект электромагнитного "сейсмического затишья";

- предложена методика радиокомпарирования поля, заключающаяся в измерениях электромагнитного поля при постоянном радиусе и разных углах на излучатель.

Практическая значимость. В работе показано, что при мониторинге электромагнитных процессов в нагруженных горных породах важное значение для его эффективности имеет выбор места расположения пункта наблюдения с соответствующим типом подстилающей среды. Установлено, что наиболее интересными областями для расположения пункта наблюдения являются зоны разломов в земной коре. Привлечение повышенного внимания к этому новому для радиофизики объекту имеет важное практическое применение в области сейсмоэлектромагнетизма. При исследовании возможности использования слоистой подстилающей среды с различным сочетанием электромагнитных свойств как индикаторов сейсмотектонических процессов установлено, что наиболее интересными представляются структуры типа "диэлектрик на проводнике", имеющие сильно-сильноиндуктивный поверхностный импеданс, например, "лед-соленая вода". В Байкальской Сибири и на всем северо-востоке Евразии с суровыми климатическими условиями такие структуры - аналоги структуры "лед-море" в Арктическом бассейне существуют более полугода. Полученные электрические характеристики подстилающей среды Байкальской Сибири могут быть использованы для прогнозирования распространения радиоволн над импедансными трассами, при оценке зоны охвата радиовещанием в НЧ-СЧ диапазонах, выборе антенных площадок для строительства передающих радиоцентров.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Электрические свойства подстилающей среды Байкальской Сибири в низкочастотной области радиодиапазона зависят от типа слоисто-неоднородной геоэлектрической структуры (впадина, массив, зона разлома). Важной особенностью электрических свойств подстилающей среды региона является высокое (до 150 кОм·м) электрическое сопротивление слоя консолидированной земной коры, установленное по данным радиоимпедансных зондирований.

2. Слоистые природные среды типа "диэлектрик на проводнике" могут служить чувствительными индикаторами сейсмоэлектромагнитных процессов. Модель "лед - соленая вода" показывает, что слой льда существенно влияет на электромагнитное поле, которое на некоторых расстояниях может быть больше, чем электромагнитное поле над бесконечно проводящей поверхностью. Она позволяет прогнозировать функцию ослабления и уровень поля на многокусочных импедансных радиотрассах.

3. Геоэлектрическая модель разлома представляет, как правило, линейную зону высокой электропроводности с резко очерченными границами. Наблюдаемый над зоной разлома повышенный уровень ЕИЭМПЗ объясняется не литосферным излучением из зоны разлома, а влиянием "посадочной" площадки, имеющей высокую электропроводность.

4. На основе совместной обработки вариаций естественного ОНЧ электро-магнитного поля и сейсмических событий в Байкальской Сибири обнаружен эффект электромагнитного "сейсмического затишья": за несколько суток до сильного землетрясения происходит аномальное снижение интенсивности импульсного потока магнитной компоненты по направлениям приема "север-юг" и "запад-восток" одновременно. После землетрясения плотность импульсного потока в суточном ходе магнитной компоненты выходит на обычный "средний" уровень.

Апробация работы. Основные результаты диссертации лично доложены и обсуждены на XXII Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (п. Лоо, Краснодарский край, 2008), Всероссийской научной конференции "Физика радиоволн" (Томск, 2002), Всероссийской конференции "Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы" (Иркутск, 2003), V сессии молодых ученых "Гелио- и геофизические исследования" (Иркутск, 2002), II международной конференции "Энергосберегающие и природоохранные технологии" (Улан-Удэ, 2003), III Всероссийской конференции "Математика, ее приложения и математическое образование" (Улан-Удэ, 2008), I Международной конференции "Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения" (Улан-Удэ, 2008), Международной конференции "Инновационные технологии в науке и образовании" (Улан-Удэ, 2009), ежегодных научных конференциях Бурятского государственного университета (Улан-Удэ, 1999-2003), Восточно-Сибирского государственного технологического университета (Улан-Удэ, 2001-2003), научных семинарах кафедры радиофизики ИГУ, ИЗК СО РАН, ИСЗФ СО РАН.

Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 44 научных работы в российских и зарубежных изданиях, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, а также 19 докладов в трудах международных и российских научных конференций.

Личный вклад автора. Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при ее непосредственном участии. В работах, написанных в соавторстве, основная часть результатов получена автором диссертации лично. В экспериментах вклад автора состоит в разработке методики, непосредственном участии в радиоизмерениях, обработке и интерпретации полученных результатов, численном решении модельных задач и их анализе, запуске и обеспечении круглогодичной работы регистрирующей аппаратуры, создании и анализе банка полученных данных.

Связь с плановыми работами. Основные результаты работы получены при выполнении плановых тем в лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем БНЦ СО РАН: "Электромагнитная диагностика (свойства, строение, структура) неоднородных природных сред радиоволновыми методами", "Радиофизическая диагностика напряженного состояния земной коры Байкальской Сибири с помощью электромагнитной эмиссии в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах", междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №56 "Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне". Экспериментальные данные радиоимпедансного зондирования и ОНЧ-мониторинга получены при выполнении грантов РФФИ: № 05-02-97202 "Исследование радиофизических характеристик подстилающей среды бассейна озера Байкал", № 08-02-98007 "Исследование напряженного состояния земной коры Байкальской рифтовой зоны по радиофизическим характеристикам электромагнитной эмиссии в ОНЧ диапазоне".





Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 120 источников. Общий объем диссертации – 142 страницы машинописного текста, включая 58 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризованы новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий обзор работ по сейсмоэлектромагнитным процессам и явлениям и диагностике напряженного состояния земной коры с помощью электромагнитной эмиссии в СНЧ-ОНЧ-НЧ диапазонах. В § 1.1 описаны возможные физические механизмы образования и распространения широкополосных сейсмогенных электромагнитных эмиссий. Отмечено, что знание электрических характеристик подстилающей среды имеет важное значение в понимании этих физических механизмов. В § 1.2 рассмотрены результаты сейсмоэлектромагнитных исследований в Байкальской Сибири, где проведены некоторые эксперименты различными радиофизическими методами. Показано, что Байкальская рифтовая зона (БРЗ) отличается регулярной сейсмической активностью. Сеть сейсмостанций регистрирует ~ 9000 землетрясений в год, из них 40-50 ощутимых. Установлено, что электрические свойства верхней части земной коры БРЗ исследованы не достаточно полно и всесторонне. По литературным данным построен глубинный геоэлектрический разрез Байкальской Сибири. В нем выявлена одна из наиболее интересных особенностей строения литосферы – наличие проводящих коровых слоев. Отмечено, что почти все очаги землетрясений расположены над этим проводящим горизонтом и локализуются в пределах высокоомного слоя. В заключение главы на основе проведенного анализа обоснована цель работы и поставлены конкретные задачи исследования.

Вторая глава посвящена методам расчетов и измерений характеристик электромагнитного поля над слоисто-неоднородными структурами. Отмечено, что методы сейсмоэлектромагнитных исследований чрезвычайно разнообразны как по физико-математическим, так и по методологическим основам. Они базируются на электродинамике сплошных сред и теории распространения радиоволн, что позволяет вывести интерпретацию результатов на количественный уровень. Проведенные исследования носят комплексный аппаратурно-методический и экспериментально-теоретический характер. Из различных вариантов электромагнитного зондирования и профилирования и радиоволновых методов в работе использованы: 1) радиоимпедансный метод; 2) радиокомпарирование поля и 3) метод счета ОНЧ-импульсов. В работе также использован один из основополагающих методологических принципов радиофизики – моделирование изучаемых полей и сред. Оно позволяет установить соответствие между экспериментальными данными и теоретическими представлениями. В § 2.1 рассмотрены геоэлектрические модели и поверхностный импеданс слоистой среды. Показано, что в низкочастотной области радиодиапазона толщина скин-слоя при проводимостях = 10-4 - 10-5 См/м достигает 10 – 20 км и охватывает всю земную кору. Для двухслойной среды с сильно контрастными свойствами типа "диэлектрик на проводнике" справедливо соотношение:

в - ikhл.

Из-за наличия тонкого плохопроводящего слоя на сильнопроводящей среде в импедансе двухслойной среды появляется аддитивная к импедансу проводника (соленой воды) в добавка ikhл, линейно зависящая от толщины слоя диэлектрика (льда) и смещающая фазу импеданса в сильно-сильноиндуктивную область. Из выражения =в - ikhл предложен способ определения поверхностного импеданса структуры "лед-соленая вода": достаточно измерить электропроводность в пробы воды кондуктометром и толщину слоя льда hл по данным бурения. На рис. 1а,б приведены расчеты импеданса двухслойной структуры "лед-соленая вода" при изменении толщины льда от нуля до 600 м на частотах 300 и 500 кГц. Числами на траекториях отмечены толщины слоя льда в метрах. В § 2.2 представлено решение обратной задачи радиоимпедансного зондирования на примере акватории р. Селенга и Иволгинской впадины. Определение параметров слоистой полупроводящей среды по частотной зависимости поверхностного

 Расчетная траектория импеданса-3

Рис. 1. Расчетная траектория импеданса двухслойной структуры "лед-соленая вода"

импеданса проведено с использованием программного обеспечения [6]. В § 2.3 рассмотрены методы расчета поля земной волны над слоисто-неоднородными импедансными структурами. Ряд нормальных волн В.А. Фока является основополагающим методом расчета функции ослабления W для однородных радиотрасс:

, (1)

здесь , , , где a – радиус Земли; R – расстояние от источника до точки приема, отсчитываемое вдоль поверхности Земли; h – высота приема сигнала над поверхностью Земли. Параметры ts являются корнями (нулями) трансцендентного уравнения:

w'(t)-qw(t)=0, (2)

где w(t) и w'(t) – функция Эйри, определяемая уравнением Эйри w(t)-tw(t)=0, и ее производная соответственно. Основной трудностью при расчетах является вычисление корней в ряде Фока.

Расчеты по формуле Калинина-Фейнберга позволяют определить спектральные характеристики импедансного канала распространения для протяженных многокусочных радиотрасс:

здесь 0- угловое расстояние (0=+ 2+ 3); параметры q1, q2, q3 определяют электрические свойства каждого из трех участков; tk(q1), tl(q2), tm(q3) являются для каждого из импедансных участков нулями трансцендентного уравнения (2). Аналогично формула (3) записывается для 4,5,..,N-кусочных радиотрасс.

В настоящее время наиболее распространенным методом расчета функции ослабления над геометрически и электрически неоднородными трассами (рис. 2) является метод численного решения интегрального уравнения Хаффорда:

, (4)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.