История становления сейсмоэлектродинамики

История становления сейсмоэлектродинамики

УДК 550.3

PACS 91.25.-r

ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ СЕЙСМОЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

e-mail: guglielmi@mail.ru

Главное

– изложена история формирования сейсмоэлектродинамики как научной дисциплины

– предложено основное уравнение сейсмоэлектродинамики

– описано возбуждение магнитного импульса в очаге землетрясения

– предложен новый метод детектирования сейсмомагнитных волн

– приведен пример регистрации сейсмомагнитных волн

Аннотация. Сейсмоэлектродинамика представляет собой теорию возбуждения в земной коре переменного электромагнитного поля при распространении сейсмических волн и при образовании разрывов сплошности горных пород в очагах землетрясения. Цель статьи состоит в том, чтобы впервые рассказать историю становления сейсмоэлектродинамики. Даны современные представления о механоэлектромагнитных преобразованиях в горных породах, о распространении косейсмических электромагнитных колебаний, и о генерации электромагнитных импульсов при разрывах сплошности горных пород в очагах землетрясений. Описан спектрально-поляризационный метод выделения сейсмомагнитных сигналов на фоне помех. Подчеркнута принципиальная важность постановки новых наблюдений для укрепления экспериментальных основ сейсмоэлектродинамики.

Ключевые слова: землетрясения, сейсмические волны, электромагнитные колебания, механоэлектромагнитные преобразования.

Цитируйте эту статью как: Гульельми А.В. История становления сейсмоэлектродинамики // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 1. С.5–20. [Тематический выпуск “Методические аспекты применения электромагнитных методов в геофизических исследованиях”]. https://doi.org/10.21455/std2019.1-1

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы 28 Президиума РАН, проекта KP19-27 Министерства образования и науки РФ, проектов РФФИ 16-05-00056 и 18-05-00096, а также программ государственных заданий Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Литература

Бучаченко А.Л. Магнитопластичность и физика землетрясений. Можно ли предотвратить катастрофу? // УФН. 2014. Т. 184, № 1. С.101–108.

Гульельми А.В. Возбуждение колебаний электромагнитного поля упругими волнами в проводящем теле // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 3. С.467–470.

Гульельми А.В. Эффект Толмэна-Стюарта в земной коре // Физика Земли. 1992. № 10. С.109–112.

Гульельми А.В. Уравнение генерации сейсмомагнитных сигналов // Докл. РАН. 1995. Т. 342, № 3. С.390–392.

Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и в магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177, № 12. С.1257–1276.

Гульельми А.В., Левшенко В.Т., Похотелов Д.О. Сравнительный анализ динамических и квазистатических механизмов генерации сейсмомагнитных сигналов // Физика Земли. 1996. № 8. С.18–25.

Гульельми А.В., Левшенко В.Т., Рубан В.Ф. О наблюдении сейсмоэлектромагнитных сигналов // Физика Земли. 1999. № 4. С.91–93.

Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ АН СССР, 1985. 189 с.

Зотов О.Д., Лавров И.П. О связи сейсмичности Земли с параметрами межпланетного магнитного поля // Материалы научно-практической конференции “Среднеширотные геофизические обсерваторские наблюдения”, посвященной 100-летию со дня рождения Валерии Алексеевны Троицкой и 60-летию Геофизической обсерватории “Борок” (Борок, 16–19 октября, 2017 г.) / Отв. ред. С.В. Анисимов. Ярославль: Филигрань, 2017. С.25–26.

Иванов А.Г. Эффект электризации пластов земли при прохождении через них упругих волн // Докл. АН СССР. 1939. Т. 24, № 1. С.41– 43.

Иванов А.Г. Сейсмоэлектрический эффект второго рода // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. и геогр. 1940. № 5. С. 699–727.

Калашников А.Г. Возможности магнитометрических методов в решении вопроса о предвестниках землетрясений // Труды Геофиз. института. 1964. Вып. 25(152). С.162–180.

Калашников А.Г., Капица С.П. Магнитная восприимчивость горных пород при упругих напряжениях // Докл. АН СССР. 1952. Т. 86, № 3. С.521–523.

Капица С.П. Магнитные свойства изверженных горных пород при механических напряжениях // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1955. № 6. С.489–504.

Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 264 с.

Ланлау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 620 с.

Орлов А.П. Землетрясения и их соотношения с другими явлениями природы. Казань, 1887. 170 с.

Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. М.: Наука, 1968. 255 с.

Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. 1944. Т. 8, № 4. С.134–149.

Цэгмед Б., Гульельми А.В., Потапов А.С. Наблюдение сейсмомагнитных волн от сильных землетрясений поляризационным методом // Физика Земли. 2000. № 12. С.41–50.

Штейнберг В.В. О параметрах очагов и сейсмическом эффекте землетрясений // Физика Земли. 1983. № 7. С.49–64.

Alfven H. Cosmical electrodynamics. Oxford: University Press, 1950. 275 p.

Bauer L.A. Magnetograph records of earthquakes with special reference to the San Francisco earthquake of April. 18, 1906 II // Terr. Mag. 1906. V. XI. P.135–144.

Breiner S. Piezomagnetic effect at the time of local earthquakes // Nature. 1964. V. 202, N 4934. P.790–791.

Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. Geophys. Res. 1970. V. 75. P.4997–5009.

Crews A., Futterman J. Geomagnetic micropulsations due to the motion of ocean waves // Geophys. Res. 1962. V. 67. P.299–306.

Eleman F. The response of magnetic instruments to earthquake waves II // J. Geomag. Geoelectr. 1966. V. 18, N l. P.43–72.

Guglielmi A.V. Elastomagnetic waves in a porous medium // Physica Scripta. 1992. V. 46. P. 433–434.

Guglielmi A.V. Some problems in seismoelectrodynamics: A review // Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes / Ed. M. Hayakawa. Tokyo: TERRAPUB, 1999. P.931–938.

Guglielmi A., Hayakawa M., Potapov A., Tsegmed B. Polarization method to detect the co-seismic magnetic oscillations // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. P.299–304 c.

Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic waves. IOP: Bristol and Philadelphia, 1996. 402 p.

Guglielmi A.V., Potapov A.S., Tsegmed B. On the excitation of magnetic signals by Love waves // Annals of Geophysics. 2004a. V. 47, N 1. P.171–177.

Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B. One mechanism for generation of the co-seismic electromagnetic oscillations // Physics and Chemistry of the Earth. 2004b. V. 29. P.453– 457.

Iyemori Т., Kamei Т., Тапака Y., TakedaM., Hashimoto Т., Araki Т., Okamoto Т., Watanabe K., Sumitomo N., Oshiman N. Co-seismic geomagnetic variations observed at the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake // J. Geomag. Geoelectr. 1996. V. 48. P.1059–1070.

Mascart M. Sur les effets magnetiques des tremblements de terre // C. R. Acad. Sci, Paris, 1887. V. CLV. P.607–608.

Martner S.T., Sparks N.R. The electroseismic effect // Geophysics. 1959. V. 24, N 2. P.297–308.

Nagata T. Basic magnetic properties of rocks under the effect of mechanical stresses // Tectonophysics. 1970. V. 9, N 2-3. P.167–195.

Sgrigna V., Buzzi A., Conti L., Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Electromagnetic signals produced by elastic waves in the Earth’s crust // Nuovo Cimento. 2004. V. 27, N 2. P.115–132.

Thompson R.R. The seismic-electric effect // Geophysics. 1936. V. 1. P.327–335.

Thomson R.R. A note on the seismic-electric effect // Geophysics. 1939. V. 4, N 1. P.102–105.

Warburton F., Caminiti R. The induced magnetic field of sea waves // J. Geophys. Res. 1964. V. 69. P.4311–4318.

Weaver J.T. Magnetic variations associated with ocean waves and swell // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P.1921–1929.

Zlotnicki J., Pozzi J.P., Cornet F.H. Investigation of induced magnetization variations caused by triaxial stresses // J. Geophys. Res. 1981. V. 86, N 12. P.11899–11909.

Сведения об авторе

ГУЛЬЕЛЬМИ Анатолий Владимирович – профессор, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(495) 582-99-71. E-mail: guglielmi@mail.ru

METADATA IN ENGLISH

About the journal

NAUKA I TEKHNOLOGICHESKIE RAZRABOTKI (SCIENCE AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS), ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, DOI: 10.21455/std; https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/. The journal was founded in 1992.

HISTORY OF FORMATION
OF THE SEISMOELECTRODYNAMICS

A.V. Guglielmi

Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

e-mail: guglielmi@mail.ru

Highlights

– Sets out the history of the formation of seismoelectrodynamics as a scientific discipline

– The basic equation of seismoelectrodynamics is proposed

– Magnetic pulse excitation in the source of an earthquake is described

– Proposed a new method for detecting seismomagnetic waves

– An example of registration of seismomagnetic waves is given

Abstract. Seismoelectrodynamics is a theory of excitation in the earth's crust of an alternating electromagnetic field in the course propagation of seismic waves, and at ruptures of a continuity of rocks in the foci of earthquakes. The purpose of this paper is to tell at the first time the story of formation of the seismoelectrodynamics. The paper gives modern ideas on mechanoelectromagnetic transformations in the rocks, on the propagation of co-seismic electromagnetic oscillations, and on the generation of electromagnetic pulses in the rupture of rock in earthquake foci. A spectral-polarization method for separating seismomagnetic signals against a noise background is described. The principal importance of setting up the new observations for strengthening the experimental foundations of seismoelectrodynamics is emphasized.

Keywords: earthquakes, seismic waves, electromagnetic oscillations, mechanoelectromagnetic transformations

Cite this article as: Guglielmi A.V. History of formation of the seismoelectrodynamics, Nauka i Tekhnologicheskie Razrabotki (Science and Technological Developments), 2019, vol. 98, no. 1, pp. 5–20. [Special issue “Methodological aspects of the application of electromagnetic methods in geophysical research”]. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/std2019.1-1

References

Alfven H. Cosmical electrodynamics, Oxford: University Press, 1950, 275 p.

Bauer L.A. Magnetograph records of earthquakes with special reference to the San Francisco earthquake of April. 18, 1906 II, Terr. Mag., 1906, vol. XI, pp. 135–144.

Breiner S. Piezomagnetic effect at the time of local earthquakes, Nature, 1964, vol. 202, no. 4934, pp. 790–791.

Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes, J. Geophys. Res., 1970, vol. 75, pp. 4997–5009.

Buchachenko A.L. Magnetoplasticity and the physics of earthquakes. Can a catastrophe be prevented? Physics-Uspekhi, 2014, vol. 57, no. 1, pp. 92–98. DOI: 10.3367/UFNe. 0184.201401e.0101.

Crews A., Futterman J. Geomagnetic micropulsations due to the motion of ocean waves, Geophys. Res., 1962, vol. 67, pp. 299–306.

Dobrovolsky I.P. Theory of tectonic earthquake preparation, Moscow: IFZ AN SSSR, 1985, 188 p. [in Russian].

Eleman F. The response of magnetic instruments to earthquake waves II, J. Geomag. Geoelectr., 1966, vol. 18, no. l, pp. 43–72.

Frenkel J.I. On the theory of seismic and seismoelectric phenomena in moist soil, Izv. USSR Academy of Sciences. Ser. geo and geophysis, 1944, vol. 8, no. 4, pp.134–149. [in Russian].

Guglielmi A.V. Excitation of electromagnetic field oscillations by elastic waves in a conducting body, Geomagnetizm and aeronovy. 1986, vol. 26, no. 3, pp. 467–470. [in Russian].

Guglielmi A.V. The Tolman-Stuart effect in the earth's crust, Physics of the Earth, 1992, no. 10, pp. 109–112. [in Russian].

Guglielmi A.V. Elastomagnetic waves in a porous medium, Physica Scripta, 1992, vol. 46, pp. 433–434.

Guglielmi A.V. The equation for the generation of seismomagnetic signals, Dokl. RAS, 1995, vol. 342, no. 3, pp. 390–392. [in Russian].

Guglielmi A.V., Levshenko V.T., Pokhotelov D.O. Comparative analysis of dynamic and quasistatic mechanisms for generating seismomagnetic signals, Physics of the Earth, 1996, no. 8, pp. 18–25. [in Russian].

Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic waves, IOP: Bristol and Philadelphia, 1996, 402 p.

Guglielmi A.V. Some problems in seismoelectrodynamics: A review, Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes, ed. M. Hayakawa. Tokyo: TERRAPUB, 1999, pp. 931–938.

Guglielmi A.V., Levshenko V.T., Ruban V.F. On the observation of seismoelectromagnetic signals, Physics of the Earth, 1999, no. 4, pp. 91–93. [in Russian].

Guglielmi A.V., Potapov A.S., Tsegmed B. On the excitation of magnetic signals by Love waves, Annals of Geophysics, 2004a, vol. 47, no. 1, pp. 171–177.

Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B. One mechanism for generation of the co-seismic electromagnetic oscillations. Physics and Chemistry of the Earth, 2004b, vol. 29, pp. 453–457.

Guglielmi A., Hayakawa M., Potapov A., Tsegmed B. Polarization method to detect the co-seismic magnetic oscillations, Physics and Chemistry of the Earth, 2006, vol. 31, pp. 299–304.

Guglielmi A.V. Ultra-low-frequency electromagnetic waves in the crust and magnetosphere of the Earth, UFN, 2007, vol. 177, no. 12, pp. 1257–1276. [in Russian].

Ivanov A.G. The effect of the electrization of earth layers when elastic waves pass through them, Dokl. USSR Academy of Sciences, 1939, vol. 24, no. 1, pp. 41–43. [in Russian].

Ivanov A.G. Seismoelectric effect of the second kind, Izv. USSR Academy of Sciences. Ser. Geophysis. and geogr., 1940, no. 5, pp. 699–727. [in Russian].

Iyemori Т., Kamei Т., Тапака Y., Takeda M., Hashimoto Т., Araki Т., Okamoto Т., Watanabe K., Sumitomo N., Oshiman N. Co-seismic geomagnetic variations observed at the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake, J. Geomag. Geoelectr., 1996, vol. 48, pp. 1059–1070.

Kalashnikov A.G. Possibilities of magnetometric methods in solving the issue of earthquake precursors, Transactions of Geophys. Institute, 1964, issue. 25 (152). pp. 162–180. [in Russian].

Kalashnikov A.G., Kapitsa S.P. Magnetic susceptibility of rocks at elastic stresses, Dokl. USSR Academy of Sciences, 1952, vol. 86, no. 3, pp. 521–523. [in Russian].

Kapitsa S.P. Magnetic properties of igneous rocks at mechanical stresses, Izv. USSR Academy of Sciences. Ser. Geophysis, 1955, no. 6, pp. 489–504. [in Russian].

Kasahara K. Earthquake mechanics, Moscow: Mir, 1985, 264 p. [in Russian].

Lanlau L.D., Lifshits E.M. Electrodynamics of continuous media, M.: Nauka, 1982. 220 p. [in Russian].

Martner S.T., Sparks N.R. The electroseismic effect, Geophysics, 1959, vol. 24, no. 2, pp. 297–308.

Mascart M. Sur les effets magnetiques des tremblements de terre, C. R. CLV, 1887, pp. 607–608.

Nagata T. Basic magnetic properties of rocks under the effect of mechanical stresses, Tectonophysics, 1970, vol. 9, no. 2-3, pp. 167–195.

Orlov A.P. Earthquakes and their relationships with other natural phenomena, Kazan, 1887, 170 p. [in Russian].

Parkhomenko E.I. The phenomena of electrification in rocks, Moscow: Nauka, 1968, 255 p. [in Russian].

Sgrigna V., Buzzi A., Conti L., Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Electromagnetic signals produced by elastic waves in the Earth’s crust, Nuovo Cimento, 2004, vol. 27, C, no. 2, pp. 115–132.

Steinberg V.V. On the parameters of foci and the seismic effect of earthquakes, Physics of the Earth, 1983, no. 7, pp. 49–64. [in Russian].

Thompson R.R. The seismic-electric effect, Geophysics, 1936, vol. 1, pp. 327–335.

Thomson R.R. A note on the seismic-electric effect, Geophysics, 1939, vol. 4, no. 1, pp. 102–105.

Tsegmed B., Guglielmi A.V., Potapov A.S. Observation of seismomagnetic waves from strong earthquakes by the polarization method, Physics of the Earth, 2000, no. 12, pp. 41–50. [in Russian].

Warburton F., Caminiti R. The induced magnetic field of sea waves, J. Geophys. Res., 1964, vol. 69, pp. 4311–4318.

Weaver J.T. Magnetic variations associated with ocean waves and swell, J. Geophys. Res., 1965, vol. 70, pp. 1921–1929.

Zlotnicki J., Pozzi J.P., Cornet F.H. Investigation of induced magnetization variations caused by triaxial stresses, J. Geophys. Res., 1981, vol. 86, B, no. 12, pp. 11899–11909.

Zotov O.D., Lavrov I.P. On the relationship of the Earth's seismicity with the parameters of the interplanetary magnetic field, Materials of the scientific-practical conference “Mid-latitude geophysical observatory observations” dedicated to the 100th anniversary of Valeria Alekseevna Troitskaya and the 60th anniversary of the Borok Geophysical Observatory (Borok, 16 October 19, 2017) / Ans. ed. S.V. Anisimov. Yaroslavl: Filigree, 2017, pp. 25–26. [in Russian].

About the author

GUGLIELMI Anatol Vladimirovich – Prof., Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. Phone: +7(495) 582-99-71. E-mail: guglielmi@mail.ru