Ви є тут

Исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород в связи с прогнозированием землетрясений

Автор: 
Корнейчиков Владимир Петрович
Тип роботи: 
кандидатская
Рік: 
1985
Кількість сторінок: 
184
Артикул:
182291
179 грн
Додати в кошик

Вміст

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 5
ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ...................... Н
1.1. Возбуждение электромагнитных колебаний при деформации и разрушении твердых тел ........................... Н
1.2. Источники электромагнитных возмущений в земной коре 12
1.3. существующие модели формирования электромагнитных излучателей в земной коре ............................... 13
1.4. Поля электрического и магнитного диполей в однородной среде............................................. 18
1.5. Экспериментальные данные об электромагнитных возмущениях в сейсмоопасных районах ......................... 24
ВЫВОДЫ . . . 23
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ 1ЙЕХАН0ЭЛЖТР0МАГНИТН0Й ЭМИССИИ ГОРНЫХ
ПОРОД В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ...................................................................... 34
2.1. Аппаратура и методика лабораторных исследований . 34
2.2. Результаты изучения механоэлектромагнитной эмиссии горных пород и основные факторы, определяющие
их излунательную способность ....................................................................... 39
2.2.1. Влияние прочности горных пород на интенсивность электромагнитного излучения в процессе их деформирования и разрушения................................. 41
2.2.2. Влияние хрупко-вязких характеристик горных пород
на их излучательную способность ............. . 46
2.2.3. Динамика электромагнитного излучения в процессе деформирования горных пород ............................. 58
2.4. Изучение трещин хрупкого разрушения ....... 64
- 3 -
ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНОЭЛЕКТ-РОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ИХ ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ............................................... 69
3.1. Разрушение горных пород в естественных условиях залегания.................................................... 69
3.2. Аппаратура и методика исследования ЭМИ в шахтных условиях .................................................... 70
3.3. Влияние напряженного состояния и физических свойств горных пород на интенсивность механоэлект-ромагнитной эмиссии ................................... 74
3.4. Влияние процессов разрушения горного массива на
параметры механоэлектромагнитной эмиссии ..................... 82
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ОТ ГЛУБИННЫХ ИСТОЧНИКОВ ... 83
4.1. Формирование электродвижующей силы в токопроводящих контурах ..................................... 83
4.2. Естественное фильтрование электромагнитных сигналов, индуцируемых в токопроводящем контуре ... 87
4.3. Коронный разряд на поверхности Земли, свечение атмосферы и люминофоров.......................... -101
4.4. Горизонтальный электрический диполь на поверхности Земли ............................................ ^05
4.5. Вынос электромагнитной энергии на поверхность Земли по волноводам ......................................... "109
4.6. Излучение электромагнитных волн кристаллическими породами, входящими на поверхность Земли......................124
4.7. Возбуждение и вторичное излучение ионосферы . . . -130
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЯЗИ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГ-
МИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СЕЙСМИЧНОСТЬЮ ЗЕМНОЙ КОРЫ ... Ш
5.1. Аппаратура и методика измерения электромагнитного
- 4 -
поля в радиовблновом диапазоне частот ... 133
5.2. Выбор пунктов и создание сети стационарных станций на Алма-Атинском полигоне......... \Ъ6
5.3. Анализ структуры электромагнитного поля и методика выделения полезной информации...... -1Ш
5.4. Результаты экспериментальных наблюдений за вариациями электромагнитного поля ......... 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................... -167
ПРИЛОЖЕНИЕ ...................................... -169
ЛИТЕРАТУРА ../................................... 172-
1вЗ
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Как известно, треть территории Советского Союза расположена в сейсмоактивных зонах, где происходят сильные землетрясения. Проблема их прогнозирования имеет важное народнохозяйственное значение. Она решается на базе комплексного изучения геологических и физических явлений, происходящих в недрах земной коры сейсмоактивных районов. С этой целью развиваются и совершенствуются как методы геофизических исследований на прогностических полигонах, так и теоретические представления о самом объекте изучения (очаге землетрясения) [ II, 25, 29, 63-65] и физических явлениях, которые могут возникнуть при формировании очага землетрясения. Особенно большое внимание в последнее время уделяется вопросу практического и теоретического изучения проблем, связанных с закономерностями формирования и возникновения аномальных возмущений в электромагнитном поле Земли, предшествующих и сопровождающих сильные землетрясения. Б связи с этим изучаются и анализируются экспериментальные материалы по регистрации электромагнитных возмущений, сопровождающих процесс деформирования и разрушения горных пород в лабораторных и натурных условиях. Моделируются источники электромагнитных возмущений, которые могут образоваться в недрах Земли на конечной стадии формирования очага землетрясений.
Впервые описание электромагнитных явлений на основе современных достижений физики твердого тела, объясняющей процессы заряжения материала при его пластическом деформировании и хрупком разрушении, которые несомненно имеют место на заключительной стадии формирования очага землетрясения, было дано в работах А.А.Воробьева [15-17] . Дальнейшее развитие этот вопрос получил в работах М.Б.Гохберга и других [24-26, 112], в которых авторы, основываясь на современных представлениях о развитии очага землетрясения во времени и пространстве, выдвинули
- 6 -
гипотезу о возможности формирования протяженных линейных или кольцевых токов, составленных из отдельных механоэлектричес-ких преобразователей (МЭИ). Последние, возбуждаясь на заключительной стадии развития очага землетрясения (его разрушения), являются, по их мнению, мощными естественными генераторами электромагнитной энергии, создающими на поверхности Земли аномалии в электромагнитном доле, наблюдаемые как визуально (различного рода световые эффекты), так и с помощью регистрирующей аппаратуры (аномалии в электротеллурическом поле, атмосферноэлектрическом поле и электромагнитном поле на высоких частотах). Но, как и во всякой только что развившейся отрасли науки перед исследователями возникает множество вопросов, требующих неотложного решения. Не известны, например, природа и закономерности возникновения электромагнитного излучения в горных порода#;не разработаны теоретические основы возбуждения электромагнитной энергии в глубинах земной коры и не ясны пути и способы вывода этой энергии на поверхность Земли; не изучены закономерности распределения электромагнитной энергии, выведенной на поверхность Земли и многие другие. Решение этих и других вопросов требует от исследователей совершенно нового подхода как к конструированию измерительной аппаратуры, так и теоретическому истолкованию наблюдаемых явлений.
Цель работы - аналитическое и экспериментальное исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород и изучение связи вариаций параметров электромагнитного поля с сейсмическими процессами в земной коре.
Основные задачи исследований:
I. Изучить в лабораторных и натурных (шахтных) условиях закономерности формирования электромагнитной эмиссии при дефор-
- 7 -
мировании и разрушении горных пород. Оценить возможности возникновения аномалий в импульсном электромагнитном поле Земли, предшествующих сильным землетрясениям.
2. Разработать методику, регистрирующую аппаратуру и организовать сеть стационарных радиоволновых наблюдений за вариациями электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне.
3. Исследовать структуру электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне в сверхдлиняоволновом диапазоне частот (СДВ).
4. Оценить возможность использования параметров электромагнитного поля (в радиоволновом диапазоне частот) при прогнозировании сильных землетрясений.
Фактический материал. Экспериментальные материалы по изучению электромагнитной эмиссии пород и руд в лабораторных я натурных исследованиях получены на установках, разработанных и сконструированных автором как в Сибирском филиале ЕНИМИ (всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела) при выполнении темы: "Изучить в шахтных условиях возможности использования электромагнитного излучения углей и пород для оценки их напряженного состояния" (№ гос.регистрации 76028058), так и на Алма-Атинском геофизическом полигоне при выполнении теш: 01.04 ГКНТ СМ СССР (й гос.регистрации 78039399). Обработка и интерпретация экспериментального материала, а также аналитические исследования проведены автором самостоятельно.
Научная новизна.
I. Разработана и сконструирована аппаратура, позволяющая регистрировать электромагнитную эмиссию пород как в лаборатор-
- 8 -
ных, так и натурных исследованиях.
2. Изучены физические основы и аналитически оценены аномалии в электромагнитном поле на низких, средних и высоких частотах, предшествующие и сопровождающие разрушение горных пород.
3. Для работы в непрерывном режиме в стационарных условиях разработаны аппаратура и методика наблюдений за вариациями электромагнитного поля на частотах радиоволнового диапазоне.
4. В наиболее сейсмоопасном районе Юго-Восточного Казахстана (Алма-Атинская область) создана сеть станций и изучены закономерности формирования вариаций электромагнитного поля.
5. Выяснено, что метод ЭМИ в комплексе с другими геофизическими методами может быть использован при прогнозировании сильных землетрясений в условиях земной коры Юго-Восточного Казахстана.
Практическая ценность. Разработанные приборы и методики исследования внедрены в практику. Теоретические разработки существенно расширяют и дальше развивают существующие знания о природе и механизме возбуждения электромагнитных предвестников сильных землетрясений. Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты позволили разработать методику и создать в наиболее сейсмоопасном районе Юго-Восточного Казахстана разветвленную сеть непрерывно действующих станций ЭМИ.- С этих станций ежедневно в центр обработки передаются данные, которые используются при оперативной оценке сейсмической опасности прогнозной комиссией Института сейсмологии АН КазССР.
Защищаемые положения. Защищается совокупность экспериментальных и аналитических исследований выполненных по физическому обоснованию формирования и исполь- —
- 9 -
зованию электромагнитного излучения пород при прогнозе сильных землетрясений. Она включает в себя:
- результаты по изучению закономерностей механоэлектро-магнитной эмиссии горных пород в лабораторных и натурных условиях в зависимости от их физико-механических характеристик и уровня напряженного состояния;
- результаты физического обоснования механизма возбуждения и передачи электромагнитных возмущений, предшествующих и сопровождающих сильные землетрясения, с глубин на поверхность Земли;
- результаты аналитических и экспериментальных исследований структуры и природы вариаций электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне;
- результаты, показывающие перспективность применения электромагнитного метода в комплексе с другими яри краткосрочном прогнозе ощутимых землетрясений в геолого-геофизичес-ких условиях, характерных для земной коры Юго-Восточного Казахстана и прилегающих регионов.
Аппробация работы. Основные результаты работы докладывались на у Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (г. Новосибирск, 1-3 июля 1975 г.):, на семинарах и совещаниях Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (г. Ленинград, 1975-1977 гг.); на конференции молодых ученых, посвященной 60-летию Великого Октября (г. Кемерово, 1977); на семинарах отдела электроники твердого тела при проблемной лаборатории ЭДиП Томского политехнического института (г. Томск, 1977-1982 гг.); на семинарах Института сейсмологии АН КазССР (г.Алма-Ата, 1978-1983 гг.); на Всесоюзном совещании по прогнозу землетрясений (г. Алма-Ата, 1980 г.); на Все-
- 10 -
союзной сессии МСССС в г. Фрунзе (2-6 сентября 1981 г.); на конференций молодых ученых по проблеме освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбинском области, посвященной 60-летию обрабования СССР (1982 г.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 8 статьях и тезисах.
Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения (список условных обозначений). Содержит 483 страниц машинописного текста в том числе 28 таблиц, Чгэ рисунков и список литературы из 448 наименований.
В процессе выполнения работы автор пользовался консуль-
тациями и советами член-корреспондента АПН СССР А.А.Воробьева
и доктора технических наук П.В.Егорова. Отдельные вопросы обсуждались с кандидатами технических наук: А.Н.Поляковым,
В.А.Смирновым, В.М.Проскуряковым, инженерами: Н.М.Корнейчиковоы, В.Ф.Гордеевым, В.В.Нестеровым, А.Ф.Горелкиным, Т.Е.Нысанбае-вым, О.М.Белослюдцевым и кандидатом физико-математических наук А.В.Бушуевым. При оформлении диссертации большую помощь оказали О.С.Васильева и 0.В.Александрова. Всем этим товарищам автор выражает свою искреннюю признательность.
Работа выполнена под руководством доктора геолого-мине-ралогических наук А.К.Курскеева, которому автор благодарен.
- II -
ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1. Возбуждение электромагнитных колебаний при деформации и разрушении твердых тел
Исследование процессов разрушения и трения материалов, разрыва двойных электрических слоев показывают, что образование новых поверхностей раздела сопровождается как искрением, так и электромагнитным излучением в широком диапазоне частот [28, 44].
Световые явления и электромагнитное излучение связывают с процессами образования и релаксации зарядов при развитии трещин. Природу возникающих зарядов представляют на основе докор-но-акцепторных механизмов распределения электронов и ионов при межмолекулярном взаимодействии контактирующих поверхностей [28] или связывают с неоднородной деформацией на бортах развивающихся трещин и выходом на поверхность заряженных дислокаций [52, 53] .:
При высоких поверхностных плотностях заряда, достигающих значений б5 = ЮГ“ * 10-2 Кл/м2, локальные электрические поля в зазоре развивающихся трещин могут превысить пробойные и инициировать разряд. Спектральные исследования показали, что свечение представляет собой излучение возбужденных молекул азота воздуха, спектр свечения идентичен спектру электрического разряда в воздухе [?, 95] .• Электромагнитное излучение в радиочастотном диапазоне (ЭМИ), совпадающее со световой вспышкой [61, 7] , возникает вследствии движения частиц в микроплазме канала разряда [28] .•
Частотный спектр ЭМИ в радиоволновом диапазоне простирается от килогерц до десятков мегагерц. Причем максимум интенсивности ЭМИ лежит в области низких частот (единицы, первые
- 12 -
десятки килогерц) [20, 91] .
Эффекты свечения и ЭМИ наблюдались на многих диэлектриках ( Na.Ce, ЫГ и др. ), в процессах дегидратации и кристаллизации различных неорганических материалов [60], а также при разрушении горных пород [20, 33,' 34] и минералов (кристаллический кварц, слюда, турмалин [ш] ).' Кроме того, при разрушении материалов и разрыве связей адгезионной природы обнаружено проникающее рентгеновское излучение, интерпретируемое как тормозное излучение электронов, ускоренных в электромагнитном поле развивающихся трещин [22, 28] .
1.2. Источники электромагнитных возмущений
в земной коре
Наблюдаемые в твердых телах и на границах между ними или жидкостями механоэлектрические явления могут являться источником ЭМИ в случае быстрой релаксации разделенных разрядов [15, 17, 24, 82]. Формирование в земной коре естественных механоэлектрических преобразователей (МЭП) объясняется электризацией горных пород при трении и разрушении, пьезоэлектрическим эффекте, эффекте Степанова, электрокинетических явлениях и др.
Постоянная времени релаксации разделенных зарядов в механоэлектрических преобразователях определяется электрофизическими характери с тиками среды и процессами термической устойчивости деффектов структуры. Расчеты показывают, что для горных пород с удельным сопротивлением Ю3 * Ю8 0м*м [37, 69], расположенных в земной коре, постоянная времени релаксации
Тр = £-£0,Р= 10“7 + Ю-3 с. Соответственно спектр ЭМИ в этом случае будет находиться в интервале частот 103 Гц +10 МГц.
Шстрое разделение разноименных зарядов, например, по-
- 13 -
зерхностью раздела, приводит, как было показано выше, к локальному увеличению электрического поля до значений, превы-вышающих пробивные поля горных пород и жидкостей (Е =104*Ю6 В/м) и вызывающих релаксацию заряда на бортах трещин посредством электрического разряда. Спекрт ЭМИ в этом случае также находится в пределах Ю“4 - 10 МГц и выше.
Перемещение заряженных дислокаций в процессе пластической деформации (эффект Степанова) также будет приводить к возбуждению ЭМИ, т.к. величина заряда, протекающего через некоторую поверхность, зависит как от дефектности материала, так и от скорости нагружения и его температуры. Причем при снятии нагрузки, как считают авторы работ [47, 93] , образованный заряд релаксирует за доли секунды.
Механоэлектрические явления, связанные с движением жидкости через капилляры и микропоры материала, могут служить источниками разделения и релаксации зарядов в верхних слоях земной коры. Причем в горных породах, вследствие фильтрации грунтовых вод, электрические поля могут достигать (вдоль направления течения) величины 10~3 + Ю-4 В/м [23].
В работе [39] мощность ЭМИ единичного акта релаксации зарядов с некоторой поверхности оценивается по формуле:
Р=2е£21/Д цв1)
Откуда при релаксации заряда максимальной плотности с поверхности Ю“6 * Ю-4 м2 (при диапазоне частот Ю"2 * 10~1
и 0,4 * 10 МГц) мощности ЭМИ получают в пределах от 10_^6+Ю“^^ до 10-10т10-3 Вт.
1.3. Существующие модели формирования электромагнитных излучателей в земной коре
- 14 -
1.3.1. Электростатические модели
А.А.Воробьевым [16, 17] проводились исследования по оценке возможности преобразования в недрах Земли различных видов энергии в электрическую и созданию полей высокой напряженности, в которых возможно протекание мощных электрических разрядов, вызывающих аномальные возмущения в естественном импульсном электромагнитном поле Земли (ЕИЭМПЗ). Предполагалось, что поляризация больших объемов пород возможна вследствии:
1. Электризации при явлении Степанова ( Е =104 В/м)
2. Адгезионной поляризации ( Е =108+103 В/м)
3. Трибоэлектризации ( Е=Ю6+Ю7 В/м)
4. Электризации электронной накачкой ( £ =104+108 В/м)
5. Электретной поляризации ( £ =104 В/м)
6. Сегнетоэлектрической поляризации ( Е =102*108 В/м)
7. Электризации при изменении атмосферного электрического поля ( Е = ГО4 В/м)
8. Пьезоэлектрической поляризации ( Е не выше 10”2 В/м)
Так, ориентировка в определенном направлении элементарных
объемов среды, имеющих электрический дипольный момент
Р = б5-6г.1г (1.2)
приведет к поляризации всего объема. Моделью подобного электрического очага может служить, например, система ориентированных в некотором направлении трещин скола или отрыва, поверхности которых заряжены разноименными зарядами.
В качестве другой модели электрического очага может выступать область пространства, в которой сконцентрирован заряд одного знака. Формирование подобного очага может: произойти в результате заряжения электронной накачкой. Носители заряда
- 15 -
противоположного знака будут сконцентрированы у границ этой области, вследствии явлений электрической индукции или поляризации диэлектриков.
Основные возражения оппонентов, по поводу предложенных
А.А.Воробьевым моделей электростатических очагов, базируются на невозможности сохранения в недрах Земли электрического заряда в течение длительного времени. Дело в том, что горные
О О
породы, слагающие земную кору, имеют сопротивление 10 +10 ом*м, которое уменьшается до 1+10 0м*м для осадочных пород, развитых во впадинах. Поэтому время релаксации заряда, как было показано в разделе 1.2, в породах с сопротивлением 103+Ю8 0м*м
—9
не превышает Ю * с.
1.3.2. Электродинамические модели
М.Б.Гохберг и другие [lI2] предложили модели генераторов мощных электромагнитных полей в недрах Земли, которые, с их точки зрения, свободны от возражений, высказываемых по поводу электростатических моделей, и позволяют объяснить электромагнитные возмущения в литосфере, атмосфере и на поверхности Земли. Кроме того, эти модели позволяют сравнительно просто переходить от рассмотрения процессов на микроуровне к макропроцессам.
Основным достижением предалагаемых моделей является то, что их авторы отказались от желания "заморозить" разноименные электрические заряды в определенных местах массива, и рассматривают совокупность механоэлектрических преобразователей, создающих нестационарное движение этих зарядов (электрический ток), приуроченный к очагу разрушения горных пород. Причем, основываясь на известных фактах формирования в структуре деформируемого материала ламинарных и турбулентных текстур разру-
- Ібь-
шения среды, они приходят к выводу, что в недрах Земли могут формироваться источники электромагнитного типа в виде протяженных контуров линейных (ламинарные мегаструктуры) или кольцевых (турбулентные мегаструк^уры) токов или их совокупностей.
Основную роль в формировании протяженных линейных или кольцевых токов, составленных из отдельных механоэлектрических преобразователей, М.Б.Гохберг и др. [112] отводят источникам электрокинетической и дислокационной природы, т.к. направление движения электрических зарядов в этих источниках совпадает с направлением развития разрушения (трещин).'
Согласно исследованиям, проведенным в институте геофизики АН Грузинской ССР [97-105] электромагнитное излучение, генерируемое трещиной хрупкого разрушения,- можно рассматривать, как дипольное излучение продольных электрицеских осцилляторов, возбу; даемых последовательно упругими волнаш, по мере распространения трещины. Механизм этого явления объясняется следующими образом. Под действием градиента механических напряжений создается неравномерная концентрация заряженных дислокаций впереди вершины растущей трещины. В непосредственной близости от вершины она максимальна, а по мере удаления от нее - уменьшается. Если даже все дислокации несут на себе заряд одного знака, например, положительный, то ближняя к вершине трещины область пространства зарядится положительно, а дальняя - отрицательно,1 Возбуждение продольными акустическими колебаниями этих областей приведет к перемещению электрических зарядов в них и, создаст условие для излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство с частотой первичного (акустического) поля.
В общем случае, возникшие под действием упругой волны, продольные электрические осцилляторы можно заменить переменными электрическими диполями, по которым протекает некоторый квази-