МГД-генераторы в сейсморазведке

К проблеме предсказания землетрясений все чаще обращается внимание исследователей. Это объясняется масштабами и последствиями катастрофических землетрясений последних лет в различных сейсмоактивных районахn Земли, первыми успешными опытами их предсказания и заметным продвижением в лабораторных и натурных исследованиях, связанных с многочисленными аспектами этого явления.

В 1979 г. тридцать лет своей работы в Гармском районе Таджикской ССР отметила Комплексная сейсмологическая экспедиция Института физики Земли АН СССР (ИФЗ). Этот район находится в месте сочленения крупнейших геоструктурных областей Средней Азии: Южного Тянь-Шаня, Таджикской депрессии и Северного Памира. Из всего проводящегося здесь комплекса сейсмологических исследований одно из наиболее перспективных направлений — глубинное электромагнитное зондирование земной коры. Использование этого метода основывается на открытии нового предвестника землетрясений — изменении электросопротивления горных пород, обнаруженном кандидатом физико-математических наук, заведующим лабораторией ИФЗ О. М.

Барсуковым и зарегистрированном как научное открытие в июне 1979 г. в Государственном реестре открытий СССР. Лабораторные исследования этого эффекта, теоретический анализ связи электрических и тектонических явлений в очаге землетрясения, и, главное, — непосредственные наблюдения на Гармском геофизическом полигоне в течение более десяти лет дают основание полагать, что обратимые изменения электросопротивления отражают комплекс физико-химических превращений в горных породах в процессе их деформирования.

Что же представляет собой данный метод прогноза землетрясений и каковы первые результаты его применения?

Практическая реализация этого метода осуществлена с искусственными источниками энергии, что оказалось более перспективным, чем использование естественных электрических полей. При этом исследовательский комплекс состоит из источника электрического тока, заземленного питающего диполя (в настоящем

случае длиной 3 км) и сети приемных станций с измерительной аппаратурой. Источник тока создает электрическое поле, распределение которого зависит от геологического строения исследуемого участка земной коры и удельного электросопротивления слагающих его горных пород. Последнее можно определить по измерениям разности потенциалов принятого сигнала и силе тока в цепи, если геометрические параметры установки неизменны. Такая установка размещена в центральной части Гармского сейсмоактивного района на северном склоне хребта Петра Первого. Выбор указанной позиции обусловлен близостью зоны максимальной сейсмической активности, отсутствием в окрестности сливающихся рек, которые могут сильно снижать эффективность излучающего диполя, и расположением существующих стационарных сейсмических станций, что позволило установить на них приемную аппаратуру.

В первые годы исследователями использовались всего три временные приемные станции, расположенные по одной линии на расстояниях 3, 6 и 10 км от источника поля, представлявшего собой обычный генератор постоянного тока мощностью 26 кВт и силой тока порядка 50 А. Были зарегистрированы вариации эффективного электросопротивления р величиной 15—18% для относительно сильных (1012—1013 Дж) и близких землетрясений и 7—8% для более слабых () и удаленных.

Оказалось, что перед всеми сейсмическими толчками в данном районе электросопротивление уменьшается, и чем сильнее землетрясение, тем сильнее вариации е. Эти исследования показали, что такие вариации не связаны с изменениями сопротивления поверхностных слоев, отвечающими сезонным или суточным колебаниям их влажности и температуры, что позволило начать работу по определению глубин и размеров очагов местных землетрясений, а также по апробации моделей происходящих при их подготовке физико-химических явлений.

Новый этап в освоении данного метода прогноза землетрясений начался с реализации предложения коллектива физиков во главе с академиком Е. П. Велиховым об использовании в качестве источника тока импульсного магнитогидродинамического (МГД) генератора большой мощности. Используемая установка «Памир-1» при сравнительно небольших габаритах и весах генератора плазмы и электромагнита позволяет получить мощность в несколько МВт в импульсе длительностью около десяти секунд и обеспечить в нагрузке ток в несколько тысяч ампер. Столь мощный источник электромагнитного поля дает возможность увеличить разнос между излучающим и приемными диполями, поскольку отношение сигнала к помехам остается приемлемым на гораздо больших расстояниях. Тем самым значительно увеличиваются как глубина зондирования (до Ю—20 км), так и площадь сейсмоактивного района (до нескольких тысяч кв. км), исследуемого с помощью одного источника. Соответственно возрастает число и дальность приемных станций — их уже стало семь; расположены они в разных направлениях от питающего диполя и на максимальном расстоянии от него около 40 км.

Результаты измерений вариаций электросопротивления с использованием МГД-генератора, проводившихся последние три-четыре года на Гармском геофизическом полигоне ИФЗ АН СССР под руководством кандидата физико-математических наук И. Л. Неосесова, подтвердили и расширили возможности метода глубинного электромагнитного зондирования для прогноза землетрясений. Совместный анализ вариаций р и характера сейсмичности в данном районе показал, что аномальные изменения сопротивления развиваются согласованно на всех приемных станциях (моменту землетрясения соответствует или минимум значения @, или его ярко выраженная окрестность); величина аномалий в целом не превышает 10%, увеличиваясь почти вдвое для близко лежащих к эпицентру станций и для сильных землетрясений. Зафиксированные вариации @ хорошо согласуются с данными наблюдений по другим геофизическим параметрам. Кроме того, были отмечены аномалии р и в случае расположения очага за пределами системы наблюдений, что позволяет ориентировочно оценить расстояние, на котором могут проявляться (по данным рассматриваемого метода) симптомы готовящегося сильного землетрясения.

Таким образом, использование импульсных МГД-генераторов большой мощности в рамках метода глубинного электромагнитного зондирования земной коры с целью прогнозирования землетря-сений позволяет увеличить площадь исследуемого сейсмоактивного района и распространить глубину зондирования на всю толщу земной коры.

Заметим, что данный метод, конечно, не является единственным для всех сейсмоопасных ситуаций, а входит в широкий комплекс самых разнообразных прогностических мероприятий, занимая среди них важное место как по эффективности, так и по надежности использования.

В настоящее время исследования, проводимые коллективами Института физики Земли и Института высоких температур АН СССР на Гармском геофизическом полигоне, вступают в новую фазу. Они будут иметь теперь не только методический, но и круглогодичный патрульный характер, что немаловажно в условиях отдаленности и климата Памирского высокогорья. Более того, новый метод прогнозирования землетрясений будет осуществлен на нескольких других создаваемых с этой целью геофизических полигонах в сейсмоактивных районах нашей страны.

Этот метод также привлек внимание зарубежных исследователей в США, Японии, Италии и других странах.

Выступая на годичном Общем собрании Академии наук СССР 14 марта 1979 г., президент Академии академик А. П. Александров отметил важность работ по применению МГД-генераторов для зондирования земной коры, упомянув, в частности, что этим методом удалось расшифровать строение глубинных зон открытых в Прикаспии газовых месторождений, где стандартные методы сейсморазведки не давали результатов.