Habarovsk, Russian Federation
Vladivostok, Russian Federation
This paper considers anomalies in the magnetotelluric field in the Pc3 range of geomagnetic pulsations. We present experimental data on Pc3 field recording which show negative (from Earth’s surface to air) energy fluxes Sz<0 and reflection coefficients |Q|>1. Using the model of inhomogeneous plane wave (Chetaev’s model), we try to analytically interpret anomalies of energy fluxes. According to a mathematical experiment there are two three-layer models with both electrical and magnetic modes satisfying the condition |Qh|>1. Here we discuss a possibility of explaining observable effects within the framework of the resonance model inhomogeneous plane wave — layered medium.
magnetotelluric sounding, geomagnetic pulsations, impedances of layered media, mathematical experiment
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования магнитотеллурического (МТ) поля обнаруживают целый ряд эффектов, не согласующихся с моделью однородной вертикально падающей плоской волны [Тихонов, 1950]. Прежде всего, это всюду наблюдаемая горизонтальная неоднородность МТ-поля, которая по традиции объяснялась наличием горизонтальных неоднородностей среды. В 1969 г. профессор Дмитрий Николаевич Четаев [Четаев, 1969] предложил модель локального описания МТ-поля в окрестности точки наблюдения неоднородной плоской волной, распространяющейся горизонтально вдоль поверхности Земли. «Возможность локального описания поля именно плоской волной, - писали авторы [Четаев и др., 1980], - является следствием его непрерывности. В достаточно малой окрестности, где пространственные изменения компонент поля линейны, естественно аппроксимировать поле плоской волной, определяемой этими линейными приращениями комплексных амплитуд». Дальнейшие размышления привели Четаева к созданию дирекционного анализа (модели Четаева). Предпосылки и история его построения подробно описаны в работах [Четаев и др., 1980; Четаев, 1985]. Ключевая идея дирекционного анализа - возможность исследования благодаря определению комплексных горизонтальных компонент волнового вектора kх, kу из уравнений Максвелла (в слое с проводимостью σ) фазовых скоростей горизонтального распространения МТ-поля, пространственных затуханий, направления распространения волны (дирекционного угла), элементов эллипсов поляризации и кажущегося сопротивления разреза. Дирекционный анализ дает инструмент для разделения полного МТ-поля на пятикомпонентные h- (Нz≠0) и e- (Ez≠0) моды. Благодаря тщательно выполненным экспериментам [Четаев и др., 1980] Четаеву с сотрудниками удалось объяснить горизонтальную неоднородность МТ-поля не влиянием горизонтальных неоднородностей среды, а лишь свойствами неоднородной плоской волны, реализуемой суперпозицией горизонтально распространяющихся неоднородных h- и e-мод. Хотя ответ на вопрос о природе Еz-компоненты до сих пор неоднозначен [Анисимов и др., 1993], специалисты уже не ставят под сомнение возможность использования дирекционного анализа на высокоомных разрезах.
Существуют по крайней мере два эффекта в МТ-поле, не получившие теоретического обоснования. Речь идет о необычном направлении (из земли в воздух) вертикальной компоненты вектора Пойнтинга Sz и аномалиях коэффициента отражения Q. Подобные факты были обнаружены в целом ряде экспериментальных работ (см. ниже). В статье рассматриваются аномальные потоки энергии Sz<0 и коэффициенты отражения |Q|>1 с точки зрения дирекционного анализа.
1. Anisimov S.V., Kurneva N.A., Pilipenko V.A. Contribution of electric mode into the field of geomagnetic Pc3, 4 pulsations. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy] 1993, vol. 33, no. 3, pp. 35-41 (in Russian).
2. Brekhovskikh L.M. Waves in Layered Media. Moscow: AKIN SSSR Publ., 1957. 502 p. (in Russian).
3. Chetaev D.N. On determining electrical conduction of Earth’s crust at conditions of natural accumulation. IХ National Conference on Radio Wave Propagation: Abstracts. Pt. 2. Kharkov, 1969, pp. 304-307 (in Russian).
4. Chetaev D.N. Directional Analysis of Magnetotelluric Observations. Moscow: IFZ AN SSSR Publ., 1985. 228 p. (in Russian).
5. Chetaev D.N., Morgunov V.A., Shamanin S.V., et al. Experimental testing of mathematical model of describing field of geomagnetic pulsations from data of three observational points. Structure of electromagnetic field of geomagnetic pulsations. Moscow, Nauka Publ., 1980, pp. 4-48 (in Russian).
6. Chetaev D.N., Os’makov A.N., Matveichev M.V., Chernyshov A.K. Interpretation of directional MTS using the method of analytic continuation. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics of Earth]. 1984, no. 4, pp. 75-82 (in Russian).
7. Dmitriev V.I. Impedance of layered medium for inhomogeneous plane wave. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics of Earth]. 1970, no. 7, pp. 63-68 (in Russian).
8. Guglielmi A.V. Geomagnetic Pulsations and the Magnetosphere Diagnostics. Moscow: Nauka Publ., 1973. 208 p. (in Russian).
9. Moroz Yu.F. Electrical Conduction of Earth Crust and Upper Mantle of Kamchatka. Moscow: Nauka Publ., 1991. 193 p. (in Russian).
10. Nikiforov V.M., Alperovich I.M., Gavrilov A.N. Results of electromagnetic sounding of Sakhalin. Doklady Akademii Nauk SSSR [Doklady, Physics]. 1985, vol. 285, pp. 678-681 (in Russian).
11. Savin M.G. On the model of impulse geomagnetic variation and MT soundings. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics of Earth]. 1986, no. 9, pp. 64-74 (in Russian).
12. Savin M.G., Izrailsky Yu.G. Inverse problem of directional MTS. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics of Earth]. 1986, no. 12, pp. 61-70 (in Russian).
13. Savin M.G., Izrailsky Yu.G. Brekhovskikh effect in electrodynamics. Doklady Akademii Nauk SSSR [Doklady Physics]. 1991, vol. 321, no. 5, pp. 971-974 (in Russian).
14. Savin M.G., Nikiforov V.M., Kharakhinov V.M. On anomalies in vertical electric component of MT field in northern Sakhalin. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli [Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics of Earth]. 1991, no. 12, pp. 100-108 (in Russian).
15. Shaub Yu.B. Energetic Parameters of MT Field. Moscow, Nauka Publ., 1982. 146 p. (in Russian).
16. Shaub Yu.B., Kopylkov V.R., Starzhinsky S.S On anomalous energy fluxes of MT field. Doklady Akademii Nauk SSSR [Doklady Physics]. 1976, vol. 127, no. 1, pp. 87-90 (in Russian).
17. Stratton J. Theory of Electromagnetism. Moscow-Leningrad: Gostekhizdat Publ., 1948. 539 p. (in Russian).
18. Tikhonov A.N. On determining electric characteristics of deep layers of Earth’s crust. Doklady Akademii Nauk SSSR [Doklady Physics]. 1959, vol. 72, no. 2, pp. 296-297 (in Russian).
19. Feynman R., Leighton R., Sands M. Feynman Lectures on Physics. Moscow: Mir Publ., 1977, vol. 5, 347 p. (in Russian).
