Электромагнитный мониторинг геофизических процессов в гидросфере, литосфере и сопряженных геосферах

Исследование направлено на решение фундаментальной проблемы мониторинга и прогноза комплекса тех процессов в гидросфере, литосфере, а также сопряженных внешних геосферах, для которых именно электромагнитное поле может служить самым эффективным средством измерения и прогноза. Электромагнитное поле несет информацию как о пространственно-временной структуре процессов-источников в различных геосферах, так и о геологических структурах от приповерхностных слоев до верхней мантии. Целью исследования является изучение возможностей методов электромагнитного мониторинга для диагностики и прогнозирования крупномасштабных процессов с большой случайной составляющей в гидросфере, литосфере и сопряженных геосферах в комплексе с изучением геоэлектрического строения литосферы и изменчивости физических свойств, слагающих ее горных пород. Исследование сконцентрировано в нескольких морских и континентальных регионах, включая продолжение длительного эксперимента по глубоководному электромагнитному прогностическому мониторингу в озере Байкал и развитие комплексного мониторинга на Тянь-Шаньском геодинамическом полигоне. При этом разрабатываемые новые теоретические и экспериментальные методы и подходы должны носить достаточно универсальный характер для практической применимости в условиях иных акваторий и территорий. Актуальность проблемы связана с тем, что естественное электромагнитное поле, измеренное на поверхности Земли или в водной толще морей и глубоких озер отражает процессы в его источниках и свойства среды в различных, в том числе, удаленных геосферах. Это позволяет использовать, поставленный электромагнитный мониторинг для изучения динамики, взаимосвязи и возможностей прогнозирования природных процессов в сопряженных геосферах, а также глубинного зондирования Земли. При этом интегрирующий характер реакции электромагнитного поля акцентирует крупномасштабный характер процессов, что позволяет использовать мониторинг, организованный в сравнительно небольшой пространственной области, использовать для характеристики процессов и свойств сред в обширных областях, недоступных или труднодоступных прямому измерению. Универсальность реакции электромагнитного поля является достоинством, позволяющим использовать его для косвенного изучения множества процессов и геологических структур, но, одновременно и недостатком из-за проблемы разделения влияния различных источников. Этот недостаток преодолим привлечением данных других методов (например, гидрологических или сейсмоакустических), контролирующих часть естественных источников поля, или использованием искусственных источников. Но набор наблюдаемых параметров по практическим причинам не может быть слишком широким, поэтому актуален обоснованный теорией и экспериментом выбор оптимального набора. При этом, в целом, проблема электромагнитного мониторинга имеет три аспекта. Во-первых, диагностический аспект. Электромагнитный мониторинг позволяет технически элегантно получать важную для практики информацию, получение которой прямыми методами слишком громоздко и выполняется редко или ограничено. Примерами являются мониторинг полных потоков морских течений – важного параметра в средне- и долгосрочных гидрометеорологических прогнозах, или мониторинг состояния многолетнемерзлых пород в связи с глобальным потеплением и вызванными им инженерными проблемами, в том числе, катастрофического характера. Имеется также фундаментальная научная проблема, в решении которой ключевую роль играет глубоководный электромагнитный мониторинг – проникновение тока глобальной электрической цепи (ГЭЦ) в гидросферу и литосферу за счет особых региональных геофизических условий. Изучение этого явления, обнаруженного пока только в Байкале, весьма актуально, поскольку оно бросает новый свет на концепцию электрического взаимодействия геосфер. С другой стороны, мониторинг электромагнитной эмиссии, связанной с трещинообразованием в верхней части коры позволяет в реальном времени судить об интенсивности как обратимых, так и необратимых деформаций. Во-вторых, прогностический аспект. В ряде случаев наблюдения электромагнитного поля могут быть, за счет асинхронных корреляций, использованы для прогнозирования процессов в различных геосферах. Особенную значимость решение проблемы динамики источников может иметь для прогнозов процессов с большой случайной составляющей (обусловленной расходимостью траекторий в фазовом пространстве). Мониторинг и, тем более, прогноз процессов с большой случайной составляющей имеют исключительную научную значимость. Типичными процессами такого рода являются (на короткой шкале времени) землетрясения. Другим примером регионального процесса с большой случайной составляющей является изменчивость морских течений (макротурбулентность), глобального – солнечные вспышки и их отклик в геомагнитной активности за горизонтом времени достижения Земли плазменным возмущением. Менее принципиальным, но пока очень существенным препятствием является недостаточное знание и вполне детерминированных связей процессов в различных геосферах, асинхронный характер которых может быть использован для прогноза. В предлагаемом решении проблемы реализуются уникальные возможности мониторинга электромагнитного поля для изучения процессов-источников в различных геосферах и использования макроскопических нелокальных (квантовых) корреляций для прогноза их случайной составляющей. В третьих, мониторинг естественного поля, предполагающий длительные измерения и, соответственно охват спектра вариаций до крайне низких частот несет информацию о глубинном геоэлектрическом разрезе, которую невозможно извлечь из обычных электроразведочных (магнитотеллурических) съемок с кратковременными измерениями в каждом пункте, поэтому разработка методов применения электромагнитного мониторинга для изучения глубинного строения коры и верхней мантии весьма актуальна, равно как и геофизическая интерпретация накопленных данных. Данные пассивного мониторинга могут быть эффективно дополнены активным мониторингом, ориентированным на региональные особенности. Так, в криолитозоне особенно эффективно применение методов вызванной поляризации; в зонах современного орогенеза важно применение специальных исследований анизотропии проводимости. В результате интерпретация данных может дать геологическую информацию как структурного, так и петрофизического характера.