Глава 2. Естественные электрические поля

Для обнаружения естественного электрического поля можно воспользоваться достаточно простым устройством, представляющим собой провод, к концам которого прикреплены электроды, не создающие собственные электрические поля (неполяризующиеся электроды). Один из электродов соединен с проводом через потенциометр (микровольтметр). Подобные устройства в электроразведки называются установками (рис. 2).

Рис. 2. Электроразведочная установка для измерения естественного электрического поля.

Наблюдения необходимо проводить на участках удаленных от возможных источников промышленных (антропогенных) помех. После заземления электродов, где бы вы ни находились, потенциометр покажет наличие, вполне возможно, очень слабого, электрического поля. Если проводить эксперимент достаточно долго, вы обнаружите изменения (вариации) в показаниях прибора (рис. 3).

Рис. 3. Вариации электрического поля.

Так какие же процессы приводят к возникновению и изменению естественного электрического поля?

Естественные переменные электромагнитные поля

К естественным переменным электромагнитным полям относятся квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной (грозовой) природы ("теллурики" и "атмосферики").

Теллурики

Происхождение этих магнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучением Солнца). В приполярных областях, реже в средних широтах можно непосредственно наблюдать этот процесс в виде полярных сияний (рис. 4).

Рис. 4. Полярное сияние в Карелии.

Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих полярные сияния, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении. Полярные сияния на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3—5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и полярные сияния наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп) (Рис. 5).

Рис. 5. Структура магнитосферы и овал полярных сияний. Магнитосфера разрезана по меридиану полдень — полночь и в плоскости геомагнитного экватора (толстые линии): 1 — полуденная северная граница овала; 2 — полуденная южная граница овала; 3 — полуночная северная граница плазменного слоя; 4 — полуночная северная граница овала; 5 — полуночная южная граница овала и внутренняя граница плазменного слоя; 6 — дрейфующие во внутренней магнитосфере электроны из плазменного слоя хвоста.

Последовательность форм полярных сияний и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, — магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 1022 эрг, что вызывает свечение атмосферы — т. н. авроральную суббурю.

При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30-40 км (рис.5.). Полярные сияния испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см².

Таким образом, вызываемые разной активностью Солнца и солнечным ветром периодические (11-летние), годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури создают возмущения в магнитосфере и ионосфере. Вследствие индукции в Земле и возникают магнитотеллурические поля. В целом эти поля инфранизкой частоты (от 10-5 до 10 Гц). В теории показано, что на таких частотах скин-эффект проявляется слабо, поэтому магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и первые сотни километров. Наиболее устойчивыми, постоянно и повсеместно существующими в утренние и дневные часы, особенно летом и в годы повышенной солнечной активности являются короткопериодичные колебания (КПК) с периодом от единиц до ста секунд. Поля иных периодов наблюдаются реже. За счет явления скин-эффекта высокочастотная составляющая МТ-поля быстро затухает с глубиной и несет информацию лишь о приповерхностной области Земли. Изучая поля различной частоты можно получить данные характеризующие электромагнитные свойства земной коры и мантии на различных глубинах.

Например, 1999 году в районе г. Альметьевск были проведены опытно-методические работы методом магнито-теллурического зондирования на 13 пунктах (рис. 6).

Рис. 6. Расположение точек наблюдений методом МТЗ.

Принципиальные результаты получены в средней части земной коры, где на глубинах от 7-8 км до 14-16 км (положение верхней кромки) обнаружен коровый проводящий слой (ρ ≈ 30-50 Ом.м, ориентировочная мощность порядка 6 км) (рис. 7).

Рис.7. Геоэлектрический разрез, построенный по данным одномерной интерпретации данных МТЗ.

Наиболее вероятным природу выявленного корового проводника Л.И.Лобковский, С.Н.Иванов и др. увязывают с флюидонасыщенностью среды. Согласно гидродинамической и реологической модели строения континентальной земной коры, построенной с учетом роли флюидов, поведение выявленного проводящего слоя возможно увязать с так называемым отделителем (detachment fauls), появляющегося вследствие растяжения реологически двухслойной земной коры и разделяющего зону дизъюктивных деформаций от ниже расположенной зоны пликативных деформаций.

Отделитель должен являться пределом распространения вниз зон глубинных разломов и зоны, в которой разряжаются все упругие тектонические напряжения. С.Н.Иванов полагает также, что зона отделителя является верхней границей распространения зеленосланцевой и амфиболитовой фаций регионального метаморфизма. В связи с этим она является наиболее важной границей внутри литосферы.

Атмосферики

Происхождение естественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовой активностью. При каждом ударе молнии в Землю (по всей поверхности Земли в среднем ежесекундно число молний равно примерно 100) возбуждается электромагнитный импульс, распространяющийся на большие расстояния (рис. 8).

Рис. 8. Грозовой разряд (Северная Америка).

В целом под воздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодически повторяемых импульсов (цугов), носящих квазисинусоидальный характер с преобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью по электрической составляющей в доли мВ/м.