УДК 550. 837.2

Аномалии естественного электрического поля на оз. Байкал
 2007 г.  Ю.Ф. Мороз1,2
1 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский
2 ФГУНПГП «Иркутскгеофизика», г. Иркутск
 
Поступила в редакцию           2007 г.

Приводятся результаты наблюдений электромагнитного поля, выполненных в течение двух месяцев на льду озера и на берегу. В горизонтальных и вертикальной компонентах электрического поля проявились аномальные возмущения, которые во времени приурочены к землетрясениям, а также к возникновению   трещины в ледяном покрове озера. Рассмотрена возможная природа аномальных возмущений.

Ключевые слова: электрическое поле, высокочастотные вариации, индукция, волна, землетрясение.
Существует гипотеза [Соболев, Морозов, 1970; Воробьев, 1980; Электромагнитные …, 1982; Гохберг и др., 1988; Соболев, 1993; Varotsos P., Alexopoulos K., 1984; и другие], что при возникновении трещин и разломов в земной коре излучаются электромагнитные волны, которые могут быть предвестниками землетрясений. Проверить эту гипотезу в реальных условия трудно из-за ограниченной информации о времени образования трещин и их местоположения в земной коре. Дополнительную информацию о гипотезе можно получить при наблюдениях естественного электрического  поля на озере в зимний период, когда в ледяном покрове толщиной 1.5-2 м образуются  крупные трещины протяженностью до первых десятков километров и шириной до первых метров. Трещины  образуются по различным причинам, связанным с волнением озера. Волнение  может быть также и при землетрясениях. При наблюдениях со льда озера мы имеем возможность контролировать время и место возникающих трещин. В этом случае данные мониторинга естественного электрического поля позволяют нам судить об аномальных эффектах, связанных с трещинами в ледяном покрове озера. Возникает вопрос, в какой мере можно отождествлять трещины в ледяном покрове с разломами в земной коре? Данная тема требует специального обсуждения и в настоящей статье она не  рассматривается.

Краткая геоэлектрическая характеристика озера Байкал
Впадина озера в первом приближении является квазидвумерной. Она вытянута почти на 640 км, при средней ширине около 50 км. Максимальная глубина озера 1.7 км. Удельное электрическое сопротивление воды 100-300 Омм. Водная толща подстилается осадочными отложениями мощностью до первых километров со средним продольным сопротивлением в первые единицы Омм. Ниже залегают породы кристаллического фундамента с удельным электрическим сопротивлением в первые тысячи Омм. Фундамент разбит разломами на крупные блоки. Наиболее погруженный блок располагается в средней части Байкальской впадины. Бортовые части впадины сложены дислоцированными или метаморфическими породами сопротивлением от первых сотен до первых тысяч  Омм. Северо-западный борт впадины более крутой, чем юго-восточный. Впадина озера ограничена крупными разломами протяженностью в первые сотни километров. Ширина зон разломов оценивается в первые десятки-сотни метров и более. Предполагается [Бердичевский, 1999], что литосфера под Байкалом содержит проводящие слои, связанные с повышенным содержанием жидких флюидов.
Методика эксперимента
Регистрация естественного электрического поля выполнена со льда озера Байкал и на суше в п.Тырган (рис.1) в период с февраля по апрель  2006 года. Пункт наблюдений на льду озера расположен в средней части озера, где глубина дна около 1000 м. Для регистрации электрического поля использованы горизонтальные и вертикальная приемные линии (рис.2). Горизонтальные линии ориентированны вдоль и поперек озера. Длина основных линий 500 м, дублирующих 250 м. Длина вертикального канала 250 м. Для контакта с водой использованы свинцовые электроды. В горизонтальных линиях они располагались на глубине 2 м, т.е. под нижней кромкой ледяного покрова. Вертикальный канал закреплен с помощью груза и якоря. Регистрация поля осуществлялась автоматизированным прибором IAE c дискретностью 0.01 и 1 с. Прибор размещен в углублении льда. Оно было перекрыто изоляционным материалом и сверху ”ледовым покрывалом”. Температура в приборе была на уровне 4С. На дневную поверхность были выведены провода для снятия информации, которая производилась один раз в десять дней. 
В п. Тырган горизонтальные каналы ориентированы по направлению вдоль и вкрест простирания геоэлектрической неоднородности среды (рис.2). Для регистрации вертикальной компоненты электрического поля использована скважина глубиной 44 м. В качестве заземления применялись также свинцовые электроды, погруженные на глубины 4 м и 44 м. Скважина затомпонирована глиной. Регистрация электротеллурического поля производилась с дискретностью 10 с. В обсерватории Патроны (рис.1) синхронно  регистрировались H, D и Z компоненты вариаций геомагнитного поля с дискретностью 1 с. 
Анализ результатов эксперимента
На рис.3. в качестве примера приведены данные наблюдений электротеллурического поля со льда озера. Интенсивность вариаций по направлению вдоль озера (азимут 30) в несколько раз выше, чем поперек озера (Аз 120). Эта особенность свойственна для всех вариаций электротеллурического поля в регистрируемом диапазоне  периодов от десятых долей до 1000 и более секунд. Она связана с  вытянутой формой впадины озера, заполненной мощной толщей хорошо проводящих осадочных пород. В поведении вертикальной компоненты электротеллурического поля, практически не выражены короткопериодные вариации, что свидетельствует в пользу плоской модели первичной электромагнитной волны, используемой в магнитотеллурике.
Рассмотрим аномальные возмущения в связи с землетрясением и образованием крупной трещины в ледяном покрове озера. 13.03.06 (01 час 06 мин 11 сек) произошло землетрясение с К=8.9. Эпицентр его расположен в устье р. Селенги (широта 5234, долгота 10656) (рис.1). Расчетная сотрясаемость в пункте Тырган не более 1 балла, в пункте Л-1 не более 2 баллов, в эпицентре землетрясения около 3 баллов. Позднее в тот же день в 02 часа 09 мин 29 сек, произошло второе землетрясение с К=7.1. Эпицентр его расположен примерно в том же месте (широта 5234, долгота 10655). В горизонтальных компонентах электротеллурического поля, примерно за час до первого землетрясения, появились высокочастотные вариации (рис.4). В большей мере они выражены на каналах, ориентированных вдоль озера. Интенсивность  высокочастотных вариаций заметно уменьшилась через 20 минут после первого землетрясения, но оставалась повышенной в течение нескольких часов.К фону повышенной интенсивности приурочен момент землетрясения с М=7.1. Примерно за 15 минут до землетрясения с К=8.9 проявилась бухтообразная вариация с периодом 9-10 минут. Высокочастотные вариации не выражены в поведении вертикальной компоненты электротеллурического поля.
Какова природа высокочастотных возмущений в электротеллурическом поле? Для ответа на данный вопрос, мы сопоставили наблюдения со льда озера с наблюдениями  в п. Тырган и в обсерватории Патроны (рис.5). Высокочастотные вариации проявились одновременно во всех пунктах. Это свидетельствует о том, что они имеют региональное распространение и связаны скорее всего с ионосферными, магнитосферными источниками магнитотеллурического поля. Высокочастотные электрические токи, индуцированные в земной коре, возможно, явились триггерным эффектом для землетрясений. Также нельзя исключить случайное совпадение высокочастотных возмущений электромагнитного поля с землетрясениями.
Наряду с рассмотренными вариациями электрического поля зарегистрированы аномальные  возмущения, которые связываются с образованием крупной трещины в ледяном покрове озера. Трещина возникла  в результате волнения озера, вызванного землетрясениями. Обратимся к данным наблюдений. На рис.6 изображены графики напряженности компонент электрического поля, полученные 13.03.2006 г. в период с 02 час 49 мин 00 сек по 02 час 55 мин 40 сек. Начало времени  возникновения  трещины примерно 02 час 52 мин. Оно определено наблюдателем. На графиках хорошо видны высокочастотные возмущения в горизонтальных составляющих электрического поля. В вертикальной компоненте высокочастотные возмущения не выражены. В поведении этой компоненты проявляется интенсивная бухтообразная вариация. Резкое изменение интенсивности вертикальной компоненты отвечает интенсивному возмущению горизонтальных составляющих электрического поля. Максимум вариации вертикальной компоненты, по-видимому, фиксирует максимальное отклонение вертикального диполя во время прихода волны морской волны. Время между моментом землетрясения и максимумом вертикальной компоненты 1 час 46 мин. За указанное время волна преодолела расстояние в 32 км. По этим данным ,по-видимому, можно приближенно судить о скорости морской волны. Она составляет около 5 м/с.  
Судя по графику (рис.6д), интенсивность вариации вертикальной компоненты, вызванной волной воды, равна 1.7 мВ/км. Вариацию можно объяснить индукцией в вертикальном канале при его движении в магнитном поле Земли. Согласно [Кухлинг, 1982] напряжение электрического поля в движущемся проводнике в магнитном поле можно представить в виде:  
U= -Blv , где U – напряжение электрического поля в В, l – длина проводника в м, v – скорость его движения в м/с, В – магнитная индукция в нТл. 
По этой формуле (для зарегистрированной напряженности электрического поля 1.7 мВ/км) скорость движения проводника является близкой к скорости волны в озере. Следует отметить, что в горизонтальных компонентах поля подобной интенсивной бухтообразной вариации не отмечается. Это связано с тем, что горизонтальные линии, расположенные на льду озера, не испытывают такого колебания в магнитном поле Земли. 
Рассмотрим высокочастотные колебания, приуроченные ко времени образования трещины в ледяном покрове озера (рис.6 а,б,в,г). Продолжительность этих колебаний около 50 с. Они начинаются резким изменением напряженности горизонтальных составляющих поля примерно за 10 с до образования трещины. Период колебаний 2-5 с. Интенсивность колебаний от первых десятых долей мВ/км до первых единиц мВ/км. Характерно, что интенсивность высокочастотных вариаций в поперечных линиях MN (рис.6 в, г)  почти в 2 раза выше, чем в продольных (рис.6а,б). Высокочастотные вариации не проявились на береговой станции Тырган и в обсерватории Патроны (рис.7а). Эти особенности являются принципиальным отличием от вариаций, связанных с внешним  источником, которые более интенсивны в продольных линиях MN (рис.3) и проявились в п. Тырган и в обсерватории Патроны (рис.4). Есть основания полагать, что высокочастотные колебания связаны с возникновением трещины в ледяном покрове озера.
 Следует отметить, что примерно через 54 минуты ситуация повторилась. Аналогичные аномальные возмущения проявились в горизонтальных и вертикальной компонентах электрического поля (рис.8). Время аномальных возмущений составляет около 1 минуты. Начало их во времени приурочено к увеличению напряженности вертикальной компоненты электрического поля. Максимум вариации вертикальной компоненты электрического поля отвечает максимальному отклонению вертикальной приемной линии МN в геомагнитном поле.  Отклонение вызвано волной в озере, по-видимому, из-за повторного землетрясения с К=7.1, примерно, в том же месте. Время землетрясения – 13.03.06 г. (02час 09 мин 29 сек).  Следует отметить, что разница во времени между моментами первого и второго землетрясений равна 1 час 03 мин 18 сек. Это отличается примерно на 9 мин от времени повторного аномального возмущения вертикальной составляющей электрического поля.  Высокочастотные вариации не выражены в вертикальной составляющей электрического поля. Они также не проявились в обсерватории Патроны (рис.7б). Предполагается, что на льду озера высокочастотные возмущения в горизонтальных составляющих поля вызваны электромагнитными эффектами, связанными с дальнейшим развитием трещины в ледяном покрове озера. В конечном результате сформировалась крупная трещина протяженностью  десятки километров и шириной – первые метры. Смещение по трещине составило около 4 м (рис.1,2,9).
Для объяснения возможной природы высокочастотных возмущений электрического поля обратимся к лабораторным экспериментам со льдом (Воробьев и др., 1982)  Эксперименты свидетельствуют, что при механическом нагружении льда излучаются электромагнитные импульсы. При увеличении нагрузки возрастает число импульсов электрической составляющей электромагнитного сигнала. Максимальное число импульсов фиксируется в момент разрушения образцов.   Следует отметить, что в лабораторном эксперименте изучены импульсные электромагнитные сигналы в диапазоне частот 102  - 105 Гц. В нашем случае, в природных условиях регистрация электрического поля осуществлялась с дискретностью 1с и аномальные возмущения имеют периоды в первые секунды. Возможно, вариации представляют собой огибающие серии («цуг») короткопериодных импульсов. В пользу низкочастотных вариаций свидетельствуют данные моделирования [Семенов, 1982]. В этой работе показано, что большое число излучателей, генерирующих электромагнитные импульсы длительностью 1 мкс,  могут создать электромагнитное поле с широким спектром, включая  вариации в диапазоне 0.001-10 Гц. 
 На основании этих работ и работ (Электромагнитные …., 1982; Гохберг и др., 1988; Соболев, Пономарев, 2003) природа возникновения аномальных возмущений электрического поля представляется в следующем виде. В результате действия морской волны возникли нагрузки на ледяной покров озера, что привело к деформации льда и его электризации за счет пьезоэлектрического и других эффектов. При дальнейших нагрузках появились мелкие трещины, которые при достижении критической концентрации слились в более протяженные трещины. Образование трещин усилило появление электрических зарядов. По-видимому, электрические заряды, возникшие при деформации ледового покрова и образовании трещин, и явились источниками электромагнитных возмущений, наведенных в приемных линиях на льду озера. Интенсивность возмущений зависит от длины проекции линий MN на направление трещины. Проекция поперечных линий MN на направление трещины в 2 раза больше, чем продольных. Проекция вертикального канала равна нулю. Поэтому, интенсивность высокочастотных вариаций в поперечных линиях в два раза выше, чем в продольных, а в вертикальной компоненте близка к нулю. 
Наряду с этим существует вероятность возникновения высокочастотных вариаций в связи с «тряской» ледяного покрова озера во время растрескивания льда и образования трещины. Так как линии MN вморожены в лед, то при ”тряске” они совершают колебания в магнитном поле, что приводит к возникновению в них индуцированного электрического тока. Обратимся вновь к формуле U= -Blv  и оценим возможность индуцирования напряжения в линиях MN. По данным обсерватории Патроны напряженность (индукция) компонент магнитного поля составляет: Н = 19000, D =1600, Z= 57000 нТл [Мороз и др. 2005]. По направлению приемных линий MN, т.е. в продольном и поперечном направлениях, напряженность магнитного поля равна, соответственно, 17300 и 10900 нТл. При движении приемных линий в горизонтальной плоскости интенсивность индуцируемых высокочастотных вариаций будет одинаковой в продольных и поперечных электрических каналах. При колебании линий MN в вертикальной плоскости интенсивность индуцированных высокочастотных вариаций в поперечных каналах будет примерно в 1.6 раз  выше,  чем в продольных. В эксперименте мы имеем разницу почти в 2 раза. 
Оценки показывают, что для индуцирования напряжения в первые единицы мВ (как в эксперименте) скорость движения поперечной линии длиной 250 м в вертикальной плоскости должна быть примерно первые десятые доли м/c. К сожалению, нам трудно судить о реальной скорости перемещения каналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях при образовании трещины в ледяном покрове озера. Поэтому, приводимые оценки показывают лишь  вероятность индуцирования высокочастотных колебаний при колебаниях (”тряске”) ледяного покрова озера.
Таким образом, выполненный анализ свидетельствует, что  высокочастотные  возмущения электрического поля могут быть связаны с пьезоэлектрическим эффектом и процессами образования трещины в ледяном покрове озера. Также не исключается возможность электромагнитной индукции в приемных линиях, вызванной их движениями в геомагнитном поле. Возможно, оба эти явления проявляются совместно. Для уточнения природы аномальных возмущений электрического поля необходимы дополнительные наблюдения со льда озера одновременно в нескольких пунктах. Такой эксперимент планируется в ближайшее время на оз. Байкал.
Выводы
На льду озера зарегистрированы высокочастотные возмущения электрического поля различной природы. Особенности этих возмущений следующие.
1.	В горизонтальных компонентах поля проявились интенсивные высокочастотные вариации в период, когда произошло землетрясение с К=8.9 на эпицентральном расстоянии 32 км. Аномальные возмущения проявились примерно за 1 час до землетрясения. Их интенсивность заметно уменьшилась через 20 мин после землетрясения. В вертикальной компоненте вариации отсутствуют. Они хорошо выражены на береговой станции и в обсерватории Патроны во всех компонентах электромагнитного поля. Это свидетельствует, что высокочастотные вариации имеют региональное распространение и связаны, скорее всего, с ионосферными, магнитосферными источниками электромагнитного поля. Возможно, высокочастотные возмущения поля послужили триггерным эффектом для землетрясения. Однако, не исключается случайное совпадение времени возмущений и землетрясения.
2.	В электрическом поле зарегистрированы аномальные возмущения, которые приурочены во времени к приходу морской волны  от землетрясения и образованию трещины в ледяном покрове. В вертикальной компоненте аномальное возмущение выражено в виде бухтообразной вариации с периодом около 2 мин. Вариация связывается с индукцией электрического тока при движении вертикальной линии в геомагнитном поле. В горизонтальных компонентах возмущение выражено в виде высокочастотных вариаций с периодом в первые секунды. Высокочастотные вариации могут быть обусловлены электромагнитными эффектами, возникающими при образовании трещины в ледяном покрове. Также не исключается индукция в линиях MN при их движении в геомагнитном поле в результате ”тряски” ледяного покрова при образовании трещины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бердичевский М.Н., Ваньян Л.Л., Кошурников А.В. Магнитотеллурические зондирования в Байкальской рифтовой зоне. 1999. №10. С. 3-25.
Воробьев А.А. Равновесие и преобразование видов энергии в недрах. Томск. Изд-во Томского университета. 1980. 211 с.
Воробьев А.А., Барабонова Н.А., Малышков Ю.П., Мастов Ш.Р. Исследование импульсных электромагнитных сигналов, излучаемых льдом при механическом нагружении // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1982. № 4. С. 116-119.
Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов О.А. Сейсмоэлектромагнитные явления. М. Наука. 1988. 173 с.
Кухлинг Х. Справочник по Физике. М. Мир. 1982. 491 с. 
Мороз Ю.Ф., Назарец В.П., Мороз Т.А. Сравнительная характеристика вариаций геомагнитного поля на Камчатке и оз. Байкал //Физика Земли. 2005. № 9. С. 36-45.
Семенов Н.А. Моделирование ультранизкочастотных электромагнитных эмиссий, возникающих перед и во время сильных землетрясений. Науч.-техн. вестн. СПбГУ  ИТМО. 2006. № 29. 145-151 с.
Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений // М.: Наука, 1993. 313 с.
Соболев Г.А., Морозов В.Н. Локальные возмущения электрического поля на Камчатке и их связь с землетрясениями // Физические основания поисков методов прогноза землетрясений. М.: Наука. 1970. С. 110-121.
Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. Отв.ред. Страхов В.Н. Москва. Наука. 2003. 270 с.
Электромагнитные предвестники землетрясений: Сб. ст./ Отв. ред. М.А. Садовский. М.: Наука, 1982. 88 с. 
Varotsos P., Alexopoulos K. Physical properties of the variations of the electric field of the Earth proceeding earthquakes // Tectonophysics, 1984. vol. 110. P. 73-125.