Особые условия распространения волн в окружающей среде

Волноводы упругих волн (УВ) в земной коре, литосфере океанов и водной среде. Волноводы УВ — это пласты в исследуемой среде, в которых скорость упругих волн ниже окружающего их вещества. Если излучатель находится внутри пласта с пониженной скоростью, то излучаемая энергия по таким волноводам передается на большие расстояния практически без потерь. Волноводы УВ выделены в атмосфере, земной коре континентов и океанов многими авторами (6, 11). Появилось мнение, что к ним приурочены очаги крупных землетрясений [18].

Акустические волноводы в водной среде. Если в водной среде находится слой с пониженной скоростью упругих волн, то энергия распространяется в нем практически без потерь на далекие расстояния. Наиболее полно волноводы в водной среде описаны и изучены Л. М. Бреховских [5]. Они названы подводными звуковыми каналами (ПЗК). Часто наблюдается двухосевой канал: одна ось находится вблизи поверхности, другая на глубине 200−1000 м. До недавнего времени океан, как правило, моделировался плоскостратифицированной средой, в которой скорость звука предполагалась неизменной по горизонтали. Такие структуры, как вихри, течения, фронтальные зоны и ринги, считались локальными и распределения скорости в этих зонах не всегда изучались.

За последние 10-тилетия направление изучения океанов идет по пути выявления неоднородностей различного масштаба. К примеру, появились описания трехмерного волновода [2, 4]. Такого типа волноводы выделены в Тихом океане, Гренландском море, в районе Курильских островов. Они представляют собой замкнутую область в форме эллиптической трубы, внутри которой наблюдается сниженная по сравнению с окружающей средой скорость звука (перепады достигают 40 м/с). Анализируя выявленные структуры в водной толще, их природу и характеристики, можно заметить, что они образуются в основном за счет перемещения водных масс (течений, синоптических вихрей и т. д.), что предположительно происходит и во время подготовки землетрясений и проявления предвестников землетрясений и цунами. При подвижках дна могут происходить перемещения водных масс как по горизонтали, так и по вертикали с образованием локальных вертикальных волноводов.

Таким образом, океанская толща представляется неоднородной по параметру скорости звука, о чем свидетельствуют наличие акустических волноводов различных по форме, размерам и протяженности. Это говорит о возможности передачи энергии звуковых волн от расположенных под дном океана очагов землетрясений по многочисленным квазигоризонтальным и квазивертикальным подводным звуковым каналам и регистрации ее вблизи поверхности на больших расстояниях от источника как по горизонтали, так и по вертикали.

Сейсмические волноводы в земной коре и литосфере океанов. В земной коре сейсмические волноводы выделены по данным сейсмической разведки. Впервые их описал Гуттенберг на записях ГСЗ на глубинах около 10 км. Он предположил также существование трех слоев с инверсиями скоростей: внутри гранитного, базальтового слоев и ниже границы Мохо. Из обзора Г. В. Краснопевцевой и др. [11] следует, что слои пониженной скорости выделяются в земной коре почти повсеместно как в платформенных, так и в горных районах. Глубины залегания волноводов порядка 10 км, мощности от 3 до 8 км, перепады скоростей на границах от 0.5 до 1.5 км/с. Как следует из приведенных источников, природа волноводов точно не установлена. Скорость упругих волн зависит от многих факторов: петрографических неоднородностей, плотности пород, давления и температуры [6]. Существует точка зрения, что, появление волновода связано с тем, что в определенных условиях при высоких температурах скорости снижаются. Кроме того, снижение скорости может происходить за счет зон дробления в пласте, а так же в связи с фазовыми переходами в веществе.

Многие авторы отмечают приуроченность различных геофизических аномальных полей (экстремальные значения силы тяжести, проводимости, поглощения) и очагов землетрясений к слоям с пониженными скоростями. Е. Ф. Саваринским на карте мира (1965) выделены пояса, в которых совпадает высокая сейсмоактивность, зона пониженных скоростей, отрицательные гравитационные аномалии и повышенный тепловой поток. Слои пониженной скорости по данным ГСЗ, MOB, МПВ и по Р — волнам землетрясений выделяется преимущественно в верхней части литосферы [6]. Мощность этих пластов 0.06−0.5 км, глубины 1−5 км ниже дна. Отмечается увеличение мощности с глубиной. Интенсивность инверсии скорости по продольным волнам больше, чем на континентальных и составляет 0.2−2.5 км/с. Самые неглубокие слои-волноводы выделены по данным скважины 396 В в 46 рейсе Гломар Челленджер на глубине первых метров при интенсивности инверсии 1−2 км/с и больше. Слои пониженной скорости выделены также в Черном, Северном, Баренцевом морях (14]. Кроме того, имеются данные о вертикальных волноводах — пластах, подходящих к поверхности земли. Это, как правило, зоны разломов, дроблений, трещиноватостей. Перед землетрясением свойства пород меняются, следовательно, можно говорить об изменении скоростей продольных волн и образовании соответствующих волноводов.

Волноводы электромагнитных полей. Волноводы электромагнитного излучения (ЭМИ) известны в атмосфере и в литосфере. Горизонтальный волновод между проводящими Землей и ионосферой хорошо изучен. Вертикальные волноводы в атмосфере выделяются по ее свойствам. В атмосфере, помимо глобального сферического волновода: ионосфера — атмосфера — литосфера, существует целый ряд горизонтальных и вертикальных волноводов. К примеру, это волноводы над акваториями, которые образуются благодаря процессам испарения, изменениям температуры, переносу воздуха, выходу акустических волн и др.

Результаты наших экспериментов по распространению ЭМИ в горных породах подтверждают распространение ЭМИ вдоль разломов боковой волной с выходом излучения в атмосферу. Разломы в земной коре играют роль направляющих структур или волноводов. Это объясняет невысокую эффективность передачи ЭМИ по некоторым направлениям от источника. Поэтому приемники ЭМИ, расположенные, казалось бы, в одинаковых условиях, могут иметь различную чувствительность по ЭМИ, распространяющуюся боковой волной, отсасываемой разломом из литосферного волновода.

Возможность волноводного распространения ЭМИ в литосфере подтверждена теоретическими расчетами, в которых гранитная или базальтовая литосфера представлялись в виде плоского слоя из диэлектрика с низкой проводимостью. Над этим слоем находится более проводящий слой наносов и/или океан, а ниже — сильно проводящий слоймантия. Модель может состоять из двух волноводов, если рассмотреть вертикальный разрез: ионосфера — воздух — морская вода — литосфера — мантия. По таким волноводам распространяется боковая волна. Если неоднородности возникают за счет вертикальных слоев, например, вдоль разлома, две стенки которого проводящие, а промежуток между стенками либо разрыхлен, либо залечен, к примеру, кварцевыми жилами, то волна ЭМИ распространяется вдоль разлома на большие расстояния без существенных потерь.

Как показали наши теоретические и экспериментальные исследования, условия особого способа распространения ЭМИ в морской воде могут быть похожи на волноводное распространение ЭМИ в литосфере.

В основе электромагнитной диагностики землетрясений лежит предположение, что возникающее при подготовке землетрясения электромагнитное излучение направляется естественными системами — волноводами, которыми в реальных условиях могут быть разломы различных порядков от глубинных региональных до локальных, на поверхность Земли и на большие расстояния. Это позволяет говорить о сверхдальнем распространении ЭМИ и, соответственно, о возможности построения на этом эффекте одной из компонент комплексной системы ближнего прогноза землетрясений.