Исследование геодинамики литосферы по спутниковым измерениям электромагнитного излучения

Исследование геодинамики литосферы по спутниковым измерениям электромагнитного излучения

В.И. Ларкина1, В.В. Мигулин1, Н.Г. Сергеева2, Б.В. Сенин3

1ИЗМИРАН, Троицк, Московская область 2 ^

Полярный геофизический институт, Мурманск 3 СОЮЗМОРГЕО, Геленджик, Краснодарский край

Аннотация. Рассмотрены вариации интенсивности низкочастотных излучений (0.1-20 кГц), плотности потока низкоэнергичных электронов и температуры плазмы по измерениям на спутнике "Интеркосмос-19" над глубинными разломами Норвежского моря, Балтийского щита, Баренцева и Карского морей и ЗападноСибирской низменностью. Эти регионы представляют собой последовательное изменение структуры земной коры и ее геодинамического режима в зоне перехода от Евразийского континента к Северному Ледовитому океану. Были детально исследованы экспериментальные данные 5 пролетов спутника. Обнаружено, что каждый тип структуры литосферы характеризуется особым характером низкочастотного электромагнитного излучения.

Abstract. The variations of the low-frequency (0.1-20 kHz) emission intensity, the density of the low-energetic electron flux and the plasma temperature measured on the "Intercosmos 19" satellite above the deep faults of the Norwegian Sea, Baltic Shield, Barents and Kara Seas and West Siberian Lowland have been considered. These regions represent a consecutive change of the Earth crust structure and its geodynamic mode in the zone of the transition from the Euroasian continent to the Arctic ocean. The experimental data on five flights of the satellite have been thoroughly investigated. It has been detected, that each type of the lithosphere structure is characterized by a special character of the low-frequency electromagnetic emission.

1. Введение

В восьмидесятые годы было обнаружено, что при пролете спутника "Интеркосмос-19" над очагами землетрясений резко возрастала интенсивность низкочастотного излучения в верхней ионосфере, регистрируемая на борту спутника. Исследования этого эффекта позволяют считать, что верхняя ионосфера является индикатором определенных процессов в литосфере. Приводимые ниже результаты дают подтверждение электромагнитных проявлений в верхней ионосфере медленных геодинамических процессов в литосфере.

2. Экспериментальные данные

Были выбраны две орбиты спутника "Интеркосмос-19" с примерно одинаковыми витками, высота которых была ~950 км: 20 ноября 1980 г. (виток 9147) и 23 ноября 1980 г. (виток 9190), и третья орбита - 15 марта 1979 г. (виток 231) с высотой ~580 км. Траектория витка 231 проходила между траекториями витков 9190 и 9147. Кроме того, были выбраны еще две орбиты 9148 (20 ноября 1980 г.) и 9191 (23 ноября 1980 г.). Витки мы объединили в две группы, в которых траектории проходили близко друг к другу. На рис. 1 показаны проекции указанных орбит на поверхность Земли. В каждой группе витков проекции орбит пересекали одни и те же тектонические структуры (табл. 1).

Геофизическая обстановка для витков 9147 и 9190 была следующей. Интенсивное положительное возмущение межпланетного магнитного поля (ММП) началось в 8.30 UT 15 ноября 1980 г. Высокая активность сохранилась до 20 ноября, до конца положительного ММП. Затем

включение короткого участка отрицательного ММП сразу же сказалось на понижении активности вплоть до 24 ноября (Авроралъные явления 80, 1984). Дни 20 и 23 ноября 1980 г. были умеренно-возмущенными (Кр = 4 и Кр = 3, соответственно). Геофизическая обстановка для витка 231 была несколько иной. Буря с внезапным началом возникла 9 марта 1979 г. в 8.08 ЦТ, активный период ее приходился на 10-11 марта. Последовавший за бурей период положительного ММП сопровождался заметным снижением геомагнитной активности вплоть до 17 марта (Авроралъныеявления 79, 1982). 15 марта 1979 г. Кр = 3 (табл. 2).

Таблица 1. Характеристика траекторий (проекций орбит на Землю) и главных тектонических структур

Виток Траектории витков Главные тектонические структуры

9147 9190 231 С юго-запада на северо-восток через Скандинавский полуостров, юго-вост. часть Баренцева моря, архипелаг Новая Земля и южную часть Карского моря. Балтийский щит, Баренцево-Карская подвижная система, окраинно-континентальная платформа, которая включает в качестве элементов внутренние структуры: Южно-Баренцевскую и Южно-Карскую впадины, а также Новоземельский ороген.

9148 9191 С запада на восток через Норвежское, Баренцево и Карское моря и север Западной Сибири. Области с развитой океанической корой (Лофотенская котловина и впадина Сервестнагет Норвежского моря) и области с корой переходного типа (блок Веринг), зона западного континентального склона Баренцева моря с его сложной разломно-блоковой структурой, окраинно-континентальные и шельфовые палеорифтовые системы Баренцева моря (Тромсе, Хамерфест, Нордкап, Восточно-Баренцевский трог), внутриплитный ороген Новой Земли, палеорифтовые впадины Карского моря и севера Западной Сибири и, наконец, зона сочленения Западно-Сибирской палеозойской и Сибирской докембрийской платформ.

Таблица 2. Характеристики орбит и ионосферные параметры, измеряемые на борту спутника

Номер витка Дата Высота спутника, км Ионосферные параметры Индексы возмущенности Время, ЦТ

9147 9190 231 20.11.1980 23.11.1980 15.03.1979 ~ 950 ~ 950 ~ 580 Интенсивность ОНЧ- излучен., Т„ Интенсивность ОНЧ- излучен., Тн Ее = 120 эВ Кр = 4 Кр = 3-Кр = 3- 17.54 - 18.00 17.02 - 17.08 15.24 - 15.30

9148 9191 20.11.1980 23.11.1980 ~ 950 ~ 950 Интенсивность ОНЧ- излучен., Т„ Интенсивность ОНЧ- излучен., Т„ О ^ чР = -4 19.35 - 19.44 18.43 - 18.52

ОНЧ - низкочастотное излучение (140 Гц -15 кГц), Ее - энергия электронов, Тя - температура плазмы на высоте спутника.

На рис. 2 представлены огибающие всплесков интенсивности низкочастотных излучений для двух компонент (электрической и магнитной) на частотах 140, 450, 800 и 4650 Гц для витков 9147 (рис. 2а) и 9190 (рис. 26). Для частоты 15000 Гц приведена огибающая сигнала магнитной составляющей поля, электрическая компонента не регистрировалась по технической причине. В верхней части рисунков показаны вариации огибающей всплесков температуры плазмы (Тн) на высоте орбиты спутника "Интеркосмос-19". В нижней части рисунков представлены тектонические разрезы вдоль проекций орбит на поверхность Земли (витки 9147 и 9190).

Рассмотрим общие закономерности вариаций интенсивности низкочастотного излучения на витках 9147 и 9190 при пролете спутника над глубинными разломами (табл. 1). В области Балтийского щита наблюдаются вариации интенсивности низкочастотного излучения на всех частотах 140-15000 Гц над региональными сейсмогенными зонами вдоль контакта относительно жестких блоков (Норботтен и Лапландского), а также вдоль границ этих блоков с широкими зонами дислокаций (рис. 2, зоны 1 и 2). Это может быть объяснено повышенной подвижностью и, соответственно, трещиноватостью и проницаемостью зон, разделяющих массы земной коры с различными физическими характеристиками.

Над областью перехода от Балтийского щита к подвижной платформе также наблюдаются вариации интенсивности ОНЧ-излучения на всех частотах (зона 3 на витке 9147 и зона 4 на витке 9190).

Новый всплеск интенсивности низкочастотного излучения на всех частотах наблюдается над восточным ограничением центральной котловины Южно-Баренцевской впадины и, возможно, над участками наиболее утоненной, а местами вдоль отдельных зон разорванной земной коры (зона 4 на витке 9147 и зона 6 на витке 9190).

К северо-востоку от центральной котловины Южно-Баренцевской впадины вариации интенсивности низкочастотного излучения с большой амплитудой наблюдаются над центральной и тыловой системами глубинных разломов Новой Земли (зона 5 на витке 9147 и зоны 8 и 9 на витке 9190).

Отметим также и различия в вариациях интенсивности низкочастотного излучения над глубинными разломами на двух витках. На витке 9147 над достаточно активной зоной фронтальных надвигов Новоземельского

орогена не наблюдается высокоамплитудных вариаций интенсивности низкочастотного излучения. Это может быть связано с разной природой региональных разломов. Если центральная и тыловая зоны представлены в основном сбросовыми нарушениями, отражающими условия растяжения, то фронтальные зоны здесь являются взбросами и взбросо-надвигами, возникающими в условиях сжатия. На витке 9190, в отличие от витка 9147, высокоамплитудные вариации интенсивности низкочастотного излучения наблюдаются над фронтальными разломами Новой Земли (зона 7). Это связано с тем, что траектория витка 9190 прошла над узлом пересечения фронтальной надвиговой зоны с мощной поперечной сдвиго-раздвиговой зоной, которая пересекает Новую Землю в северо-западном направлении. На основе структурно-геологических признаков предполагается, что на этом участке условия субмеридионального растяжения преобладают над условиями субширотного сжатия. На витке 9190 хорошо выражены всплески интенсивности низкочастотного излучения на всех частотах в области перехода от континентальной области к подвижной окраинной платформе. Это связано с высокой степенью обособленности блоков земной коры и разделяющих их зон глубинных разломов. Над блоками древней коры Балтийского щита (блок Baca, Карельский массив) наблюдается спокойное поле низкочастотного излучения.

б)

23.11.1980 г. Виток 9190

Рис. 2. Электромагнитное излучение, температура плазмы Т„, измеренные на спутнике, и тектонический разрез по траектории витков 9147 и 9190

Виток 9191

23 XI1980

ч

18.43 ! I I 18.44 18.45

Норвежское ^ | море Контанетлю.

I М II ,Хараад

/ ! ЛофотеЦ.Сёрбестнагет Ъп

блокВёринг 4 ¿впадина

Тн —1.0

4650 Гц

Т 800 Гц

450 Гц

140 Гц

18.49 111 I I 18.50 (' | | 18.51 I I | 18.52 UT

Новая Земля/ Карское море Западно-Сибирская низменность [ Новоземеяъский'

и

Глубинные разломы

фабсн ¡1 ^^н^нГ*™ | ю™*^ /К*«*»*» Е„„С^

^ №ад. % {Г /Тромсе Хам^фесН грабен Нордкап ^ Г 42° I трог; Г 4 | вгтаднна ^ ! ' / ¡дислокации |Хатанский трог_^блок

Рис. 3. Электромагнитное излучение, температура плазмы Тн, измеренные на спутнике, и тектонический разрез по траектории витка 9191

Витки 9148 и 9191 принадлежат к числу наиболее интересных с точки зрения оценки связи между структурой электромагнитного излучения и тектоническими особенностями земной коры в зоне перехода от континента к океану, а также в зоне перехода от Карского моря к Западно-Сибирской низменности. Вариации шумовых излучений над глубинными разломами от района Норвежского моря до Карского моря включительно на этих витках не рассматриваем, поскольку закономерности вариаций совпадают с рассмотренными выше вариациями на витках 9147 и 9190. На рис. 3 представлены огибающие всплесков интенсивности низкочастотных излучений для двух компонент (электрической и магнитной) на частотах 140, 450, 800 и 4650 Гц для витка 9191. В районе перехода от Карского моря к Западно-Сибирской низменности (зона к) наблюдается резкий скачок интенсивности поля на частотах 450, 800 и 4650 Гц, наиболее заметный в электрической составляющей поля излучений. В Юрибейской

зоне дислокаций отмечены слабые вариации интенсивности шумов (зона л) на всех частотах. При переходе от Юрибейской зоны к Енисей-Хатанскому трогу происходит скачок интенсивности на всех частотах над тектонической границей внутренней зоны Енисей-Хатанского трога (зона М1). Сам трог характеризуется слабыми флуктуациями интенсивности излучений. Далее, следующая граница этого трога с древней Сибирской платформой отмечена резкими скачками интенсивности (зона м2), которая по-разному выражена на различных частотах. Над Приенисейским блоком значительно возросла амплитуда вариаций на всех частотах как в магнитной, так и в электрической составляющих поля шумовых излучений. Такие же закономерности вариаций шумов наблюдаются в зоне перехода от Карского моря к Западно-Сибирской низменности и на витке 9148. Отметим, что общей закономерностью для этих двух витков является наличие локальных возмущений низкочастотного излучения над тектоническими зонами (над региональными и глубинными разломами), которые разделяют крупные тектонические элементы.

Таким образом, вдоль траектории витков 9147 и 9190, 9148 и 9191 наиболее характерно соответствие максимумов интенсивности низкочастотного излучения региональным зонам разломов (Мигулин и др., 1997), для которых установлен или предполагается по структурным особенностям преобладающий режим растяжения. При этом наличие мощного (более 15-18 км) осадочного покрова, по-видимому, не является помехой для возникновения вариаций интенсивности низкочастотного излучения над зонами растяжения, в случае значительного утонения или полного разрыва кристаллической земной коры, как это наблюдается в центральной котловине Южно-Баренцевской впадины.

Спутником "Интеркосмос-19" над Южно-Баренцевской впадиной и Новоземельским орогеном, помимо вариаций низкочастотного излучения (на витках 9147 и 9190), на 231 витке 15 марта 1979 г. наблюдались и вариации плотности потока электронов с энергией Ее = 120 эВ в 15.28.00-15.30.28 ЦТ с двумя характерными областями колебаний. В одной части потока над Южно-Баренцевской впадиной и Новой Землей в 15.28.00-15.29.30 ЦТ преобладают периоды колебаний 12.5-17 секунд. В другой части потока над Карским морем период колебаний уменьшается и составляет 7.5-5 секунд (рис. 4). Над глубинными

разломами этого же района ранее (Ларкина и др., 1998) регистрировались потоки низкоэнергичных частиц энергий 120 эВ и 50 эВ с периодами колебаний 20-25 секунд. Можно предположить, что наблюдаемые в районе Южно-Баренцевской впадины одновременные всплески интенсивности низкочастотных излучений и потоков низкоэнергичных электронов могут быть связаны с выделением радона, как это следует из недавно опубликованной работы (РиИпе1з е( а1, 1999). Необходимо отметить, что непосредственные измерения содержания радона в Южно-Баренцевской впадине, насколько известно, не проводились. В то же время здесь на сравнительно небольшом количестве проб были изучены концентрации радиоактивных элементов (Матишов и др., 1999), которые в той или иной мере могут быть источником радона. Полученные результаты отражают тенденцию повышения этого показателя в водном слое вдоль западной и южной окраин впадины и вдоль западной периферии архипелага Новая Земля, а также в слое донных осадков вдоль этой же периферии. Авторы указанных исследований связывают повышение концентраций радиоактивных элементов с техногенным загрязнением района, которое обусловлено последствиями испытаний ядерного оружия и выносом радионуклидов из Европы и Северной Америки атлантическими течениями.

Рассмотрим вариации температуры плазмы на высотах спутника Т„ на двух витках 9147 и 9190 (рис. 2). Отметим увеличение температуры на обоих витках в ~1.6 раза по сравнению с фоновым уровнем температуры над разломами сейсмоактивной зоны Балтийского щита, а также над разломами Южно-Баренцевской в ~1.3 раза и Южно-Карской впадин в ~1.4 раза. Увеличение температуры в ~1.2 раза отмечалось над разломами сейсмоактивной зоны Балтийского щита (Ларкина и др., 1999). Это еще раз подтверждает сделанный ранее вывод о пространственной устойчивости наблюдаемых эффектов над глубинными разломами (Ларкина и др., 1998; Ларкина и др., 1999).

3. Результаты корреляционного анализа

Был выполнен корреляционный анализ одновременных всплесков интенсивности магнитной и электрической компонент поля излучений для Баренцево-Карского региона. Весь регион мы условно

« И нтерко см ос-19» Вкгок 15.1______ 14 Июня, 1979

ю-'-

1 1 I I 1.40 ' ' I .......1 1 ' ¡.45 1.50

В и™ 233 15 Марта, 1979

ЛЫ ~~ 120эВ

18.50 18,55 19.00

В>гток 231 15 Марта. 1979

__" 4 1 I1 1 1 1 '1 I 1 1 'Г" 1 "т-

15.20  15.25 15.30 иг

Рис. 4. Вариации плотности потока электронов с энергией 120 эВ и 50 эВ, измеренные на витках 231, 233 и 1537 над глубинными разломами Южно-Баренцевской впадины

разделили на три зоны: Баренцево море, Новая Земля и Карское море. Причем протяженность их выбрана таким образом, чтобы число точек, участвующих в корреляционном анализе было бы одинаковым (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между огибающими всплесков магнитной и электрической компонент низкочастотного поля над зонами глубинных разломов

Зона Частота, Виток 9147 Виток 9190

Гц Коэф. кор. Время, ЦТ Коэф. кор. Время, ЦТ

140 0.6669 0.5822

Баренцево 450 0.8782 17.57.00 - 0.5469 17.05.05 -

море 800 0.7855 17.58.45 0.6773 17.06.50

4650 0. 8552 0.8463

140 0.6658 0.8164

Новая 450 0.8364 17.58.50 - 0.9141 17.06.45 -

Земля 800 0.8359 17.59.15 0.9460 17.07.10

4650 0.9144 0.9797

140 0.7946 0.6786

Карское 450 0.7928 17.59.15 - 0.7956 17.07.15 -

море 800 0.8285 18.00.00 0.7754 17.08.00

4650 0.8901 0.8830

Корреляционный анализ показал, что наблюдаемые низкочастотные излучения были электромагнитными, коэффициенты корреляции для 9147 витка составили Ямэл = 0.66^0.91, а для витка 9190 Ямэл = 0.54^0.98. Над Новой Землей (над узлом пересечения фронтальной надвиговой зоны с мощной поперечной сдвиго-раздвиговой зоной) на витке 9190 коэффициенты корреляции на всех частотах были более высокими и составляли Ямэл = 0.81^0.98. К сожалению, выполнить корреляционный анализ одновременных всплесков интенсивности низкочастотных излучений для магнитной и электрической компонент поля и плотности потока низкоэнергичных частиц, наблюдаемых на 231 витке, было невозможно из-за телеметрической помехи. По этой причине был выполнен корреляционный анализ между огибающей всплесков электрической компоненты поля низкочастотного излучения на витках 9147 и 9190 и огибающей всплесков плотности потока электронов с энергией Ее = 120 эВ на 231 витке над одним и тем же районом. Поскольку высоты рассматриваемых витков были разными (^9147,9190 ~ 950 км и Н23Л ~ 580 км), то коэффициенты корреляции Яэле получились меньше 0.5. Из-за разности высот спутников вариации интенсивности низкочастотного излучения сдвинуты в пространстве по отношению к вариациям плотности потока низкоэнергичных частиц.

4. Выводы

В результате анализа всех экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

• Устойчивые вариации интенсивности низкочастотного излучения на всех частотах 140^15000 Гц наблюдаются над зонами глубинных разломов литосферы, для которых характерен режим растяжения. Исключение составляют фронтальные зоны Новоземельского орогена, которые являются взбросами и взбросо-надвигами, возникающими в условиях сжатия;

• Нарастание амплитуд в электрической и магнитной составляющих поля низкочастотного излучения происходит над зонами с высоким градиентом толщины земной коры при переходе от океанической коры к континентальной, от глубокой впадины фундамента к орогену. С этими зонами, как правило, связаны наиболее активные, часто сейсмогенные системы разломов;

• Значительное снижение амплитуды вариаций интенсивности низкочастотного излучения или полное отсутствие вариаций наблюдается над зонами глубинных разломов, которые погребены под мощным осадочным чехлом и не имеют явных признаков текущей тектонической активности;

• Над Баренцево-Карской подвижной окраинно-континентальной платформой наблюдались вариации интенсивности низкочастотного излучения и увеличение температуры плазмы на высотах спутника (~950 км) в 1,3 раза, а также вариации плотности структурированного потока низкоэнергичных электронов с энергией Ее = 120 эВ, который разделяется на две части по периодам флуктуаций;

• Над глубинными разломами Сибирской низменности наблюдаются скачки в изменениях амплитуды низкочастотных излучений над тектоническими границами структур: в частности, над границей внутренней зоны Енисей-Хатанского трога и над границей его с древней Сибирской платформой;

• Наблюдаемые над глубинными разломами Южно-Баренцевской впадины одновременные всплески интенсивности низкочастотных излучений и потоков низкоэнергичных электронов могут быть

связаны с выделением радона и с техногенным загрязнением этого района радиоактивными элементами ядерных взрывов;

• Над областью океанической коры, над структурами континентального склона, над подвижной платформой Баренцева и Карского морей, каждому типу структуры - крупному трогу, относительно стабильному блоку и орогену - соответствует особый характер излучения.

Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить д.ф.-м.н. Е.Д. Терещенко и д.ф.-м.н.

Ю.Я. Ружина за постоянный интерес к работе и за полезные обсуждения результатов, Ломакину Н.И. и

Толочкину C.B. за оформление рисунков в статье.

Литература

Pulinets S.A., Alekseev V.A., Boyarchuck K.A., Hegai V.V. and Depuev V.Kh. Radon and ionosphere monitoring as a means for strong earthquakes forecast. IL NUOVO CIMENTO, v. 22C, No 3-4, p.621-626, 1999.

Авроральные явления 80. Сб. под ред. Брюнелли Б.Е., КНЦ, Апатиты, с.65, 1984.

Авроральные явления 79. Сб. под ред. Брюнелли Б.Е., КНЦ, Апатиты, с.91, 1982.

Ларкина В.И., Мигулин В.В., Сергеева Н.Г., Сенин Б.В. Электромагнитное излучение над глубинными разломами литосферы по измерениям на спутнике. Доклады Академии Наук, т.360, № 6, с.814-818, 1998.

Ларкина В.И., Мигулин В.В., Сергеева Н.Г., Сенин Б.В. Ионосферные электромагнитные эффекты над Балтийским щитом по измерениям на спутнике. Доклады Академии Наук, т.367, № 6, с.815-819, 1999.

Матишов Г., Матишов Д., Щипа Е., Риссанен К. Радионуклиды в экосистемах региона Баренцева и Карского морей. КНЦ РАН, Апатиты, 237 е., 1999.

Мигулин В.В., Ларкина В.И., Сергеева Н.Г., Сенин Б.В. Отражение региональных структур литосферы в спутниковых наблюдениях электромагнитных излучений. Доклады Академии Наук, т.357, № 2, с.252-254, 1997.