Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование электростимулированных вариаций акустической эмиссии при деформировании образцов геоматериалов

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование электростимулированных вариаций акустической эмиссии при деформировании образцов геоматериалов"

На правах рукописи

ЗАКУПИН Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВ АННЫХ ВАРИАЦИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ОБРАЗЦОВ

ГЕОМАТЕРИАЛОВ

Специальность 25.00.10 - Геофизика. Геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Научной станции РАН в г.Бишкеке.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук А.А.Авагимов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А. В. Пономарев, кандидат физико-математических наук В.С.Жуков.

Ведущая организация:

Институт динамики геосфер РАН.

Защита диссертации состоится 21 декабря 2006 г. в 14 ч. на заседании Диссертационного совета К002.001.01 в Институте физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123995, г. Москва, ул. Б. Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН.

Автореферат разослан «_» ноября 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

А.Д. Завьялов

© Научная станция РАН в г. Бишкеке, 2006

^ ' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассмотрено влияние внешних электрических воздействий на развитие механической неустойчивости в моделях вызванной, индуцированной сейсмичности и отражение этого процесса в акустической эмиссии. С этой целью поставлены лабораторные эксперименты по испытанию образцов горных пород и гетерогенных материалов в режиме квазистатического на-гружения; проведён анализ откликов акустической эмиссии при различной структуре электрического воздействия и разных свойствах модельных образцов. Установлены параметры нагружения и свойства испытываемых материалов, определяющие возможность генерации акустической эмиссии при электрическом воздействии.

Актуальность

Проблема вызванной сейсмичности, связанной с воздействием на среду, одна из важнейших задач геофизики. Общеизвестны результаты аномального изменения сейсмического режима, связанные с искусственными и техногенными воздействиями на среду: создание водохранилищ, разработка нефтегазовых месторождений, проходка горных выработок, ядерные взрывы и другие. При этом составляющие процесса взаимодействия, инициирующие вызванную сейсмичность, имеют общую упругую природу. В последние годы получили развитие исследования вызванной сейсмичности, связанной с электромагнитным воздействием на основе импульсного МГД-генератора на полигонах Центральной Азии. Основной вывод сводится к утверждению, что электромагнитные воздействия на сейсмогенные области земной коры оказывают существенное влияние на слабую и умеренную сейсмичность. Однако результатов, полученных по этим данным, недостаточно для понимания природы сейсмо-электромагнитных взаимодействий.

Физическое моделирование энерговоздействий на геосреду имеет определяющее значение для понимания механизма вызванной сейсмичности. Допустимость изучения сейсмоэлектромагнитных взаимодействий методами физического моделирования опирается на положения о самоподобии исследуемых процессов в разных пространственных и временных масштабах. Основной составляющей в экспериментах с электровоздействием является регистрация акустоэмиссионного излучения, отражающего и сопровождающего структурные изменения в модельных образцах гетерогенных материалов и горных пород при трещинообразовании. При этом открываются новые возможности изучения состояния, тонкой структуры и свойств неоднородных сред, расширяется потенциал решения актуальных задач вызванной сейсмич-

^РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА е-тПлербург

ее 2Се^ает

ности и, как следствие, разработка алгоритма контролируемого влияния на сейсмический режим на основе внешнего электровоздействия.

Цель работы

Установить характерные особенности акустической эмиссии, вызванной воздействием внешнего электромагнитного поля на образцы горных пород и модельных материалов при их деформировании в условиях квазистатических нагрузок.

Основные задачи исследования

- Постановка и проведение экспериментов по исследованию активности акустической эмиссии модельных образцов горных пород и искусственных гетерогенных материалов при их деформировании в условиях квазистатических нагрузок и внешнем электромагнитном воздействии.

- Анализ структуры индуцированной акустической эмиссии, определяемой параметрами нагружения, механо-физическими свойствами модельных образцов и структурой электромагнитного поля воздействия.

- Анализ возможных механизмов генерации упругого поля, вызванной воздействием электромагнитного поля в условия квазистатических нагрузок.

Методы исследования

Лабораторное моделирование влияния внешнего электрического воздействия на образцы горных пород и искусственных гетерогенных материалов при квазистатическом нагружении с регистрацией акустической эмиссии; выбор структуры поля воздействия, параметров нагружения и петрофизических свойств образцов.

Статистический анализ экспериментальных данных, построение эмпирических зависимостей.

Защищаемые положения

1. В результате экспериментальных исследований при квазистатических нагрузках и электрическом воздействии на модельных образцах горных пород и искусственных гетерогенных материалов установлена активность акустической эмиссии, обусловленная воздействием электромагнитного поля. При этом результаты отражают подчинённость структуры акустоэмиссионных откликов состоянию и свойствам модельных образцов.

2. Установлено, что водонасыщенные образцы горных пород - пьезо-электриков обладают большей акустоэмиссионной электрочувствительностыо

по сравнению с аналогичными сухими образцами, что обусловлено отличным от обратного пьезоэффекта, иным механизмом генерации упругого поля.

3. При лабораторном моделировании установлено, что на испытуемых образцах активность акустической эмиссии, обусловленная воздействием электромагнитного поля, проявляется при значениях осевого сжимающего напряжения выше 0,8 от разрушения, а также при двухосном сжатии, когда уровень бокового сжатия составляет 0,25-0,3 от значений осевой нагрузки.

4. Выявлен триггерный эффект от внешних воздействий электромагнитного поля при различной его структуре, отображённый в динамике активности акустической эмиссии и развитии механической неустойчивости в нагруженных модельных образцах. При этом реакция деформируемого образца происходит с запаздыванием относительно инициирующего воздействия.

Научная новизна

Экспериментально, на модельных образцах горных пород и искусственных гетерогенных материалов при воздействии внешним электромагнитным полем установлена электрочувствительность акустической эмиссии. Установлен диапазон значений главного сжимающего напряжения, в котором материал проявляет чувствительность к воздействию внешнего электромагнитного поля.

Показано, что у водонасыщенных образцов горных пород - пьезоэлек-триков акустоэмиссионная электрочувствительность выше, чем у аналогичных сухих образцов и, обусловлена иным механизмом генерации упругого поля, отличным от обратного пьезоэффекта.

Проявление триггерного эффекта при внешнем воздействии электромагнитного поля различной структуры и его отображение в динамике активности вызванной акустической эмиссии нагруженных модельных образцов.

Практическая значимость

С учётом представлений о самоподобии сейсмического процесса установленные свойства индуцированной акустической эмиссии используются при исследовании деформирования и инициированного разрушения горных пород и гетерогенных модельных образцов при дополнительном внешнем воздействии физическими полями, в первую очередь, импульсным электромагнитным полем. Основные результаты исследований способствуют пониманию управляемого процесса вызванной сейсмичности, индуцированной электромагнитным воздействием, и являются составляющей алгоритма подобного процесса.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований были представлены на втором Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», Бишкек 2003 г.; на пятом Казахстанско-Китайском симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии», Алма-Ата, 2003 г.; на Международной конференции «Электроника и компьютерные науки-в Киргизстане», Бишкек, 2004 г; на третьем Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке», Бишкек 2005 г.; на 7-ой международной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Борок, 2005.

Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях и отражено в 4 научных отчётах НС РАН.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в проведении всех представленных в работе экспериментов как сотрудник лаборатории моделирования энергонасыщенных сред Научной станции РАН в г. Бишкеке и ответственный исполнитель соответствующих подтем по плановой тематике и проектам, выполненным в НС РАН. Диссертантом непосредственно составлены протоколы испытаний, проведены первичная обработка, статистический анализ, обобщение и интерпретация результатов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Она включает 115 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 121 библиографическое наименование.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность директору НС РАН В.А. Зейгарнику и исп. директору Г.Г. Щелочкову за поддержку в проведении исследований.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю работы A.A. Авагимову за инициативу в постановке задач, за советы, служившие ориентирами в выполнении данной работы. Автор благодарен коллегам - соавторам ряда публикаций: Адигамову Н.С., Аладьеву A.B., Богомолову JI.M., Боровскому Б.В., Ильичёву П.В., Сычеву В.Н., Манжикову Б.Ц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований по вызванной сейсмичности, в том числе методами физического моделирования, которые позволяют выявлять устойчивые взаимосвязи внешнего энерговоздействия и генерируемого при этом аномального упругого поля, что практически невозможно при натурных наблюдениях. Подчёркивается, что при внешних электромагнитных воздействиях развитие процесса механической неустойчивости отражается в акустической эмиссии (АЭ). Установление характеристик АЭ в моделях вызванной, индуцированной сейсмичности - основная цель поиска. Определены задачи работы, решение которых обеспечили её выполнение.

В первой главе рассмотрены итоги исследований техногенной сейсмичности, а также основная информация о результатах физического моделирования механо-акустических взаимодействий на образцах геоматериалов при внешнем энерговоздействии.

Техногенные динамические и гидродинамические факторы вызванной сейсмичности подробно рассмотрены в обзорных работах [Николаев, 1995; Адушкин, Турунтаев, 2005]. Вызванная сейсмичность при подземных взрывах проявляется в виде сейсмических событий - афтершоков, причём длительность процесса от суток до нескольких месяцев.

Техногенную сейсмичность при горных работах [Николаев, 1977] определяют как динамические явления с энергией от 104 Дж до сильных горных ударов с энергией 107-108 Дж. Они проявляются в виде подвижек по тектоническим разломам и сопровождаются разрушениями выработок [Шемякин, 1986].

Результаты вибросейсмических экспериментов с применением 40- и 100 тонных вибраторов показали, что по мере воздействия возбуждаются микроземлетрясения и сейсмоакустическая эмиссия даже в тектонически-спокойных районах. При этом установлен нелинейный характер взаимодействия упругих волн со структурными элементами литосферы [Береснев, 1993; Глинский и др., 2001; Юшин и др., 2001].

Сейсмичность, возникающая при разработке нефти и газа, имеет генезис, связанный с изменением гидродинамических и механических параметров в среде, которое происходит при извлечении углеводородов и закачке воды [Earthquakes, 1995; Healy et al., 1968].

Источником вызванной сейсмичности, возникающей вследствие гидродинамического воздействия, является изменение уровня воды в водохранилищах [Gupta et al., 1972]. В сейсмоактивных районах заполнение водохранилищ оказывает влияние на сейсмический режим региона - Нурекская, Чиркейская и

др. ГЭС в СНГ. Оно проявляется, как правило, в изменении числа слабых толчков и не приводит к крупным событиям [Мирзоев и др., 1987].

Исследования влияния геомагнитных бурь на сейсмичность показали существование зависимости общей сейсмичности Земли от фазы 11-летнего цикла солнечной активности [Сытинский, 1998; Соболев и др., 1998]. Поиску взаимосвязи сейсмической активности с процессами, вызванными геомагнитными бурями с внезапным началом, посвящен цикл работ [Закржевская H.A., Соболев Г.А., 2002; Тарасов Н.Т., 2002; Файнберг и др., 2004]. Влияние геомагнитного поля на сейсмичность при солнечно-земных связях статистически подтверждается, однако, механизмы передачи энергии ясны не в полной мере.

Возможность влияния на сейсмичность электромагнитной энергии при пусках от МГД-генераторов на Гармском полигоне впервые показана Н.Т. Тарасовым [Тарасов, 1997], а также по наблюдениям на Бишкекском геодинамическом полигоне [Тарасов и др., 1999; Тарасов и др., 2001; Авагимов и др., 2005]. Показано, что электромагнитные воздействия на сейсмогенные области земной коры оказывают влияние на слабую и умеренную сейсмичность. Предполагается, что искусственное увеличение доли сейсмической энергии, излучаемой в виде относительно слабых землетрясений, приводит к дополнительной разрядке тектонических напряжений и тем самым уменьшает вероятность возникновения катастрофических событий или, по крайней мере, ведет к снижению их энергии.

На Бишкекском полигоне НС РАН продолжается эксперимент с электровоздействием на базе ЭРГУ-600 [Волыхин и др., 1993]. Отмечено, что основной вклад в активацию микросейсмичности после электрического воздействия дают события 7,5-8,5 класса [Богомолов и др., 2005]. Результаты согласуются с основными выводами работ [Тарасов и др., 1999; Тарасов и др., 2001; Авагимов и др., 2005], и в этом аспекте данный эксперимент позитивен. В то же время имеющихся данных по всем натурным экспериментам недостаточно для понимания природы сейсмоэлектромагнитных взаимодействий.

Перспективы исследований связываются с методами физического моделирования и регистрацией акустоэмиссионного излучения, структура которого рассматривается как модель реального сейсмического процесса, статистически самоподобного в широком диапазоне масштабов [Садовский и др, 1982; Садовский и др., 1987; Гейликман, Писаренко, 1989; Виноградов, 1989]. Работы [Садовский и др., 1981; Виноградов, 1989; Мирзоев и др., 1991; Соболев и др., 1993; Богомолов и др., 2001; Кочарян, Спивак, 2003; Соболев, Пономарев, 2003] создали существенный задел по изучению влияния динамических воздействий на образцы гетерогенных материалов, моделирующих геосреду. Следует выделить проявление триггерного эффекта при воздействии (в том числе

и слабых вибровоздействий), который сопровождает активизацию микротре-щинообразования.

Первые эксперименты по моделированию электромагнитного воздействия были проведены на образцах, содержащих в качестве добавки к цементу кварцевый песок — «пьезоэлектрические» или «непьезоэлектрические» - песок из диабаза [Sobolev et al, 2000; Соболев, Пономарёв, 2003]. Применялись дву-полярные прямоугольные импульсы с частотой 250 Гц или 2.5 кГц, амплитудой импульсов 20 В. По результатам серии экспериментов обнаружена тенденция увеличения акустической активности нагружаемой модели при электровоздействии, а величина приращения числа акустических сигналов составила порядка 1% от исходного уровня. Результаты последующих экспериментов на модельных образцах показали, что воздействие электромагнитного поля, как правило, вызывает изменение темпа дефектообразования, проявляющегося как АЭ [Авагимов и др., 2003; Закупин и др., 2003; Bogomolov et al., 2004]. В контексте работы очевидна постановка экспериментов на модельных образцах горных пород и гетерогенных материалов с различными петрофизи-ческими свойствами при различной структуре электромагнитного воздействия. При этом использование метода акустической эмиссии обеспечит диагностику триггерных явлений в процессе эволюции трещинообразованиия.

Вторая глава. Специфика воздействия электромагнитным полем определила выбор решений по многим аспектам технологического и методического обеспечения эксперимента. Это относится как к системе нагружения и выбору модельных образцов, так и к формированию структуры электромагнитного поля воздействия и методики измерений. Для изучения динамики механической неустойчивости модельных образцов, обусловленной воздействием внешних физических полей, необходимо обеспечение длительного стационарного нагружения, что позволяет осуществить регистрацию АЭ в области нелинейного деформирования, когда теоретически возможно наблюдение триггерных проявлений [Соболев, Пономарев, 2003]. Эксперименты на одноосное сжатие проводились на пружинной реологической установке (УДИ) с максимальным усилием сжатия 100 тонн [Ставрогин, Протосеня, 1985]. При двухосном сжатии уровень бокового давления был постоянным и составлял 0,25-0,3 от величины разрушающего давления. Реализованная система обеспечивают квазистатическую нагрузку в режиме длительных наблюдений на дискретных уровнях согласно программе экспериментов.

Подготовка образцов горных пород для опытов объективно связаны с соблюдением подобия натурных условий и модели. Выбирая цельные материалы пород, мы не обеспечиваем подобие по коэффициенту вязкости, однако

выполняем подобие по скорости продольных волн и коэффициенту Пуассона, что позволяет говорить о подобии напряженно-деформированного состояния. С другой стороны, применение АЭ метода обеспечивает диагностику развития механической неустойчивости при энерговоздействии горных пород с выраженными акустоэмиссионными свойствами. Для экспериментов были подготовлены образцы горных пород - кварцит,_ галит, гранит, гранодиорит, габбро; из искусственных гетерогенных материалов - циркониевая керамика и бетон. Это позволило проводить исследования на образцах горных пород как с пьезоэлектрическими свойствами - кварцит, так и не обладающих ими - габбро. Искусственные материалы - бетон и керамика с возможностью изменения их водонасыщения и минерализации, позволяют изучить реакцию материалов с различным уровнем электрокинетического потенциала и электропроводности на воздействие электромагнитных импульсов. Подобный подбор свойств образцов предопределяет также оценку применимости и выбор механизма меха-но-электромагнитных взаимодействий.

Формирование структуры электромагнитного поля воздействия обеспечивается тремя модельными источниками: генератор прямоугольных импульсов Г5-54, конденсаторное разрядное устройство, индукционное разрядное устройство. Основные параметры импульсов от генератора Г5-54 для большинства экспериментов составили: амплитуда до 60В, длительность импульса порядка 5-50 мкс, частота изменялась в пределах 1-3 кГц, длительность переднего и заднего фронтов - не более 0,15 мкс. Электрические импульсы от конденсаторного разрядного устройства имели следующие параметры: пиковое напряжение порядка 900 В, длительность фронта нарастания напряжения порядка 1мкс. Спад напряжения был сравнительно медленным (0,5 - 1 мс). Сформированный импульс подавался на графитные электроды с площадью не менее 15 см2, прижатые к боковым граням образца. В экспериментах поданное на образец напряжение от индукционного разрядного устройства имело амплитуду около 3 кВ. Учитывая характеристики импульсов от каждого источника, было предложено несколько вариантов ЭВ, а выбор из них определялся программой конкретного эксперимента.

Методика измерений и техника эксперимента адаптированы к актам ЭВ на дискретных уровнях квазистатического нагружения и реализованы на основе аппаратурно-программного комплекса для широкополосных акустоэмис-сионных и тензометрических измерений [Ильичев и др., 2003]. После увеличения нагрузки на образец и релаксации переходных процессов проводились измерения в последовательности: до, во время и после электрического воздействия. Последующие измерительные сессии варьировались от двух до десяти ча сов в зависимости от программы эксперимента, активности образца, скорости

затухания активности АЭ и типов модельных источников. В комплексе использованы высокоскоростные системы сбора данных АЭ. Разработана и отлажена методика сбора и обработки экспериментальных данных, определена их структура и вид представления для систематизированного хранения в специализированной базе данных.

Сигналы акустической эк иссии регистрировались датчиками АЭ в широком частотном диапазоне от НО кГц до 5 МГц. Обработка данных проводилась последовательно. После анализа и отбраковки ложных событий следовали математическая обработка и построение результирующих графиков. Для предварительной обработки данных используется комплекс программ просмотра, корректировки полученного набора информации. Анализ и селекция спонтанных флуктуаций режима АЭ проводятся на основе спектрально-частотных характеристик приведенных сигналов-помех, что, как правило, обеспечивает их отличие от отклика среды на воздействие физическими полями и позволяет исключать их из рассмотрения потока АЭ. Для сравнения также проведены эксперименты и получены распределения спонтанных флуктуаций режима АЭ без внешнего воздействия. Интерпретация экспериментальных данных осуществлялась на основе анализа графиков временной зависимости активности АЭ, которая согласуется с изменениями режима деформирования образца. Разработана программа пакетной обработки и формирования единого временного ряда активности по всей серии данных, полученных с одного образца. Предложенные и реализованные методические решения обеспечили проведение модельных экспериментов при электромагнитном воздействии и решение поставленных задач.

Третья глава посвящена нахождению составляющих АЭ в структуре акустического отклика при электромагнитном воздействии на образцах с пьезоэлектрическими свойствами: кварцита, гранита, гранодиорита и бетона. При этом рассмотрены особенности распределения АЬ и акустоэлектромагнитных взаимодействий, обусловленные изменениями уровня квазистатического на-гружения, структуры электромагнитного поля воздействия и водонасыщенно-сти образцов.

Акустоэмиссионный отклик нагруженной среды зависит от уровня нагрузки. Это было детально показано в эксперименте с образцом гранодиорита. Воздействие импульсами генератора Г5-54 проводилось на двенадцати значениях нагрузки вплоть до разрушения образца. Анализ данных свидетельствует о наличии диапазона значений нагрузки, в котором материал проявляет высокую чувствительность к воздействию. В экспериментах с другими образцами

полученная связь подтвердилась и в большинстве случаев отклики АЭ регистрировались на нагрузках fc>0,8.

Подчеркнём следующую особенность. Только в сессии при к= 0,64 зафиксирован отклик с небольшим увеличением активности после воздействия. Нагрузка ¿=0,64 рассматривается нами как пороговое значение, соответствующее определенным изменениям в процессе деформирования образца. Анализ ст-е характеристик образца гранодиорита при сопоставлении с другими экспериментальными данными [Мансуров, 1990] показал, что переход материала в стадию дилатансии происходит на нагрузке к=0,65. Отметим, что в экспериментах на образцах гранодиорита по изучению влияния слабых вибраций на акустическую эмиссию и скорость деформации также регистрировались отклики при нагрузках, соответствующих стадии дилатансии [Богомолов и др., 2001]. Зависимость числа событий АЭ от величины сжимающего напряжения при ЭВ доказывает правомерность подобных рассуждений. Выделяются несколько стадий. До ¿=0,64 в течение 6 сессий было равномерно по всем нагрузкам накоплено 496 событий - столько же в одной, 7 сессии. Вторая стадия характеризуется быстрым ростом кривой накопления - 10 % прироста нагрузки соответствуют 100-кратному увеличению актов АЭ. Переход от второй стадии быстрого накопления к третьей соответствует нагрузкам /с>0,8. Именно здесь возможны изменения деформационного режима, которые традиционно в геомеханике и сейсмологии характеризуют как триггерные.

При сопоставлении откликов на воздействие импульсами различной структуры не было выявлено определенных отличий: отклики наблюдаются как при длительном воздействии генератором Г5-54, так и при воздействии одиночными импульсами напряжения большой амплитуды. В целом реакция материала сводится к увеличению активности АЭ после начала воздействия. В экспериментах с генератором Г5-54 и разрядными устройствами проводились испытания на повторное воздействие при одной и той же нагрузке. Было показано, что при нагрузках близких к разрушающим (¿>0,9) повторное воздействие может вызвать реакцию АЭ. На меньших нагрузках в эксперименте с образцом бетона (¿=0,75) показано, что повторное воздействие не оказывает никакого влияния.

На рис. 1 и 2 показаны характерные отклики АЭ, полученные на образцах кварцита и гранита (воздействие генератором Г5-54 показано черной полосой).

При испытании водонасыгценных образцов-пьезоэлектриков показано, что у них акустоэмиссионная электрочувствительность выше, чем у аналогичных сухих образцов. На рис. 3 представлено изменение активности АЭ водо-насыщенного образца гранодиорита при импульсном воздействии от конден-

саторного разрядного устройства. Для сравнения на рис. 4 показана активность АЭ сухого гранодиорита - образца из одного керна.

Л 11/5

Ю-

Я-Ю.1!/«

си

10 ий 15

Рис. 1. Активность АЭ образца гранита (к = 0,87)

5МЛ10

Рис. 2. Активность АЭ образца кварцита (к ~ 0,95)

На рис. 3 наблюдается резкое кратковременное увеличение активности в несколько десятков раз с дальнейшим его понижением, но, оставаясь на уровне значительно выше фонового в течение часа, а затем спадает до уровня фона. Отклик такой силы и продолжительности не наблюдался у сухих образцов при всех источниках ЭВ.

52 54 56

ао!

Рис. 3. Активность АЭ водонасыщенного образца гранодиорита (£=0,85).Воздействие показано стрелкой

2 4 б 8 10

Рис. 4. Активность АЭ сухого образца гранодиорита (А=0,89). Воздействие показано черной полосой

Для наглядности в таблице показаны амплитуды откликов, полученных на сухих образцах различных горных пород и бетона при импульсном воздействии.

Гранит Уестерли Кварцит Бетон Гранит Табылга

Иср (после ЭВ)/ кср (до ЭВ) 1,7 2,2 5,2 2

Подводя итоги третьей главы, можно отметить, что получены отклики АЭ на воздействие ЭМ поля различной структуры при испытании образцов

горных пород и искусственных гетерогенных материалов — пьезоэлектриков, имеющих многообразие физико-химических, реологических и прочностных свойств. Показано, что вид напряженно-деформированного состояния (ст1>стг>сгз) оказывает определенное влияние на режим АЭ, но отклик на внешнее воздействие электромагнитными импульсами соответствует откликам, полученным при одноосном нагружении.

Результаты экспериментов с водонасыщенными образцами показывают, что электромагнитное стимулирование АЭ нельзя отождествить только с пье-зозффектом [Соболев, Демин, 1980]. Полученные результаты позволяют допустить параллельный, практически совпадающий по времени реализации другой механизм генерации упругого поля, отличающийся от обратного пьезо-эффекта. Подтверждением может служить наблюдаемый при этом высокий уровень акустической эмиссии.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментов на образцах, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Представлены статистические оценки влияния внешнего электромагнитного поля на распределение АЭ; рассмотрены спектральные характеристики АЭ, обусловленные динамическим (осевой на1рузкой) и электромагнитным воздействиями; проведено обсуждение возможных физических механизмов, формирующих акустический отклик при электромагнитном воздействии. -,

Для экспериментов были выбраны: циркониевая керамика, относящаяся к полухрупким гетерогенным материалам, и габбро - горная порода, не обладающая пьезоэлектрическими свойствами в отличие от кварцсодержащих гранитов и пород. По своим электрическим свойствам циркониевая керамика относится к диэлектрикам, однако в силу пористой структуры геоэлектрические свойства чувствительны к водонасыщению материала, определяя одновременно и поведение образца при его деформировании.

Результаты экспериментов показали, что сухие образцы циркониевой керамики не проявляют чувствительность к воздействию ЭМ поля, а наблюдаемые изменения тренда (снижение дисперсии и выполаживание кривой) не позволяют говорить о наличии отклика. Отклики активности АЭ водонасы-щенных образцов циркониевой керамики на ЭВ от конденсаторного и индукционного разрядных устройств приведены на рис. 5 и 6. Причём при воздействиях от индукционного разрядного устройства (см. рис. 6) наблюдается пропорциональная зависимость между амплитудой отклика и количеством подаваемых импульсов. Принципиально отметить, что реакция водонасыщенных образцов керамики на ЭВ проявляется, начиная с нагрузки при к= 0,5.

12

№ Ц^А/ 1 и Алм» 1

Рнс. 5. Активность АЭ образца керамики (к = 0,5). Воздействие показано стрелкой

"0 10 20

Рис. 6. Активность АЭ образца керамики (к = 0,68). Воздействие отмечено стрелками

Эксперименты с ЭВ на образцах габбро дополняют исследования материалов без пьезоэлектрических свойств. На рис. 7 и 8 показаны распределения индуцированной АЭ при воздействии от генератора Г5-54 и конденсаторного разрядного устройства соответственно. Сопоставления параметров (амплитуды и длительности) откликов АЭ на образцах габбро с данными по сухим и влагонасыщенным образцам с пьезоэлектрическими свойствами - гранодиори-та (см. рис. 3 и 4) указывают на превышение амплитуды откликов АЭ на образцах габбро. Полученные результаты достаточно очевидно указывают на проявление эффекта стимуляции акустической эмиссии электромагнитным полем на образцах горных пород и гетерогенных материалов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Рис. 7. Активность АЭ образца габбро (А=0,95). Воздействие показано черной полосой

Рис. 8. Активность АЭ образца габбро (к=0,82). Воздействие показано стрелкой

Анализ распределений индуцированной АЭ позволяет отметить особенности её релаксации при электромагнитном воздействии. Отклик АЭ проявляется в основном при условии достаточного уровня упругой энергии. В отсутствии ЭВ всплески АЭ происходят спонтанно в процессе релаксации после установления дискретного уровня осевой нагрузки. При наличии внешнего воздействия меняется лишь характер этих всплесков - они происходят строго

после ЭВ и, как правило, значительно сильнее спонтанных. Эти результаты созвучны с выводами о появлении скачкообразных деформаций на модельных образцах (цемент с туфом, свинец и др.) при воздействии вибраций. «Частое воздействие вибраций на деформирующую систему приводит к тому, что в промежутках времени между импульсами воздействия на границах неодно-родностей не успевает накопиться напряжение достаточной величины и следующее воздействие не вызывает скачок деформации» [Садовский и др., 1981]. В проведённых в работе экспериментах это неоднократно подтверждалось при повторных воздействиях на различных нагрузках. В этой связи принципиально подчеркнуть, что, во-первых, индуцированное при ЭВ аномальное, упругое поле в процессе релаксации также вызывает деформацию, отображённую в АЭ. Во-вторых, наблюдаемые общие тенденции в распределении скачков деформации при повторяющихся энерговоздействиях - вибрациях или электромагнитного поля, позволяют считать, что их формирование в процессе релаксации не зависит от генезиса аномального, упругого поля. Таким образом, и при электромагнитном воздействии проявление механической неустойчивости обусловлено триггерными процессами.

Выше отмечено, что при деформировании модельных образцов в условиях постоянной нагрузки АЭ ведет себя немонотонно. Анализ степени влияния спонтанных всплесков на общее распределение АЭ при ЭВ проведён на основе расчётов релейно-корреляционной функции - в случае длительных режимов воздействия, и вычисления параметра Пирсона - для импульсных воздействий. Корреляционный анализ вариаций АЭ при воздействии генератором Г5-54 проводился для всех образцов, с которыми прйменялся данный источник. Наилучшие значения функции /(г) >0,8 были получены для откликов с повышенным уровнем активности в течение всего времени ЭВ и при нагрузках близких к разрушающей. Отметим, что указанные отклики АЭ и составляют основу банка экспериментальных данных. В остальных случаях значения функции /(г) были разными - в зависимости от длительности воздействия и уровня самого отклика, но выше 0,4. Анализ параметра Пирсона показал его изменения в десятки раз после ЭВ. В дополнение проведено сравнение данных с гипотезой случайного возникновения активации АЭ, совпадающей с воздействием и независящим от него во всей выборке экспериментальных сессий, со всеми испытанными образцами и применяемыми источниками ЭВ. На основе анализа графиков биномиального распределения плотностей вероятности показано, что в диапазоне нагрузок ¿>0,7 вероятность случайного возрастания активности АЭ после ЭВ не превышает 0,14. Это соответствует доверительной вероятности отклика АЭ на внешнее электровоздействие (аналога вероятности прогноза или "захвата цели") равной 86 %. Таким образом, итоги стата-

нализа указывают на высокую степень влияния ЭВ на параметр активности АЭ.

Анализ спектральных характеристик проводился в контексте изучения различий между спонтанными вариациями АЭ и инициированными при ЭВ по данным эксперимента с образцом габбро. Для анализа были произведены выборки событий из сессий, в которых были зафиксированы как отклик АЭ от ЭВ, так и спонтанный всплеск. Для каждого сигнала были построены распределения АЧ спектра. Анализ подтвердил, что обоих случаях регистрируются АЭ сигналы одного генезиса, связанные с трещинообразованием, но указал также на наличие спектральных особенностей АЭ, относящихся к выборкам с ЭВ. Спектры большинства событий АЭ (99 %), зарегистрированных в ходе спонтанной активизации АЭ, имеют схожие распределения. Тональной частотой, на которой отмечен спектральный максимум, является частота 300 кГц, которая, скорее всего, связана с размерами образца. На частотах в диапазоне 150-450 кГц, также отмечены несколько максимумов, однако они много меньше основного. В период перед ЭВ (фоновый уровень) наблюдается аналогичное распределение. Далее, в период задержки (уже при наличии ЭВ) 5-10 % АЭ имеют несколько максимумов на низших частотах: спектральные максимумы отмечены на 200,170 кГц. В период активации уже только 65% спектров имеют форму, соответствующую основным модам, отмеченным ранее при спонтанной активизации и до воздействия. На остальных спектрах максимумы смещены в сторону низших частот 100-200 кГц. Учитывая то обстоятельство, что такие спектры встречаются лишь во время энерговоздействия, можно предполагать, что смещение спектральных максимумов может являться особенностью развития дефектов при релаксации упругого поля, созданного ЭВ. Несомненно, что статистическую достоверность данного предположения необходимо будет подтвердить в дальнейших исследованиях.

Проведен анализ возможных механизмов генерации упругого поля, вызванного воздействием электромагнитного поля в условия квазистатических нагрузок. Акусто-электромагнитные функциональные связи, проявляющиеся в виде откликов АЭ геоматериалов, на качественном уровне могут быть интерпретированы на базе имеющихся моделей неупругих деформационных процессов и разрушения. Так, энергетический подход к выводу критерия роста трещины (критерий Гриффитса), математически эквивалентный вариационному принципу, допускает ряд обобщений, позволяющих учесть влияния электромагнитного поля на рост трещин в диэлектрических материалах [Пе-стриков, Морозов, 2002]. Коэффициент плотности поверхностной энергии чувствителен к наличию пленок поверхностно-активных веществ (воды), образующихся даже в присутствии небольшого количества пара. Это может

быть одной из причин того, что водонасыщенные материалы проявили высокую чувствительность к ЭВ. Возникая на поверхности трещины, двойной электрический слой (ДЭС) при наличии внешнего поля способен запасать электрическую энергию. Продвижение вершины трещины с образованием новых поверхностей может идти и за счет этой энергии. Электрически поляризованные дефекты могут, в свою очередь, уже сами взаимодействовать с внешним ЭМ полем.

В работах "Авагимов и др. 2002; Avagimov, Zeigarnik, 2002] предложена феноменологическая модель генерации упругого поля, возбужденного электромагнитными импульсами в многослойной структуре ДЭС [Баласанян, 1990]. Изменения диэлектрической проницаемости во взаимосвязи с электропроводностью и поверхностной проводимостью [Черняк, 1987; Челидзе, 1987] приводят при внешнем электромагнитном воздействии к изменениям внутренних межповерхностных структурных напряжений. При этом в многослойных ДЭС возникает поляризация, создающая электрическое поле, силовые линии которого выходят за его пределы, осуществляя передачу влияния поляризованного электрического поля соседнему поляризованному слою, и далее по объёму, которая обладает свойствами активной среды [Потапов и др., 1995]. Подобный механизм формирует новый уровень структурных напряжений и, соответственно, аномальное упругое поле, обусловленное ЭВ.

С этим положением созвучны результаты работы [Фатеев, 2005] о наличии признаков низкочастотного резонанса электрической восприимчивости гетерогенных материалов. В этой работе для' систем связанных осцилляторов продемонстрировано наличие гигантских откликов, свидетельствующих об аномальном росте электрической восприимчивости под влиянием внешних периодических электровозмущений с частотой ниже 1 кГц. Примечательно, что активными элементами связанных осцилляторов, обеспечивающих взаимодействие с внешним электрическим полем, определены ДЭС. Таким образом, рассмотренные модели допускают возможность генерации упругого поля при ЭВ в средах со свойствами, характерными для большинства горных пород - это пористая, влагосодержащая и активная среда. В этой связи акустоэмиссионные отклики, полученные на модельных образцах, подтверждают обусловленность механо-сейсмоэлектромагнитных взаимодействий внешним электромагнитным воздействием.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые для широкого ряда модельных образцов горных пород и искусственных гетерогенных материалов при их деформировании в условиях

квазистатических нагрузок установлена обусловленная воздействием электромагнитного поля активность акустической эмиссии. При этом результаты отражают подчинённость структуры акустоэмиссионных откликов состоянию и свойствам модельных образцов. Активность акустической эмиссии проявляется при значениях осевого сжимающего напряжения выше 0,8 от разрушения, а также при двухосном сжатии, когда уровень бокового сжатия составляет 0,250,3 от разрушающего образец уровня. Все испытанные материалы проявляют акустоэмиссионную чувствительность к воздействию ЭМ поля при его периодической и импульсной структуре.

2. Исследовано влияние ЭВ на модельные образцы пьезоэлектриков. Показано, что у водонасыщенных образцов горных пород - пьезоэлектриков аку-стоэмиссионная электрочувствительность выше, чем у аналогичных сухих образцов, и обусловлена иным механизмом генерации упругого поля, отличным от обратного пьезоэффекта.

3. Исследована структура индуцированной акустической эмиссии при ЭВ на модельных образцах, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Сухие образцы циркониевой керамики пассивны к воздействию ЭМ поля. Результаты воздействия ЭМ поля на водонасыщенные образцы циркониевой керамики, а также образцы горной породы габбро, указывают на высокую электрочувствительность АЭ.

4. Наблюдаемые общие тенденции в распределении скачков деформации при повторяющихся энерговоздействиях - вибрациях или электромагнитного поля, позволяют считать, что их формирование в процессе релаксации не зависит от генезиса аномального, упругого поля. При этом обусловлено, что развитие механической неустойчивости, вызванное электромагнитным воздействием, поддерживается триггерными процессами и объясняет наблюдаемое запаздывание реакции деформируемого образца относительно момента инициирующего воздействия.

5. Проведён анализ возможных механизмов генерации упругого поля, вызванного электровоздействием. Показана допустимость формирования индуцированной акустической эмиссии при ЭВ в средах со свойствами, характерными для большинства горных пород - это пористая, влагосодержащая и активная среда. В этой связи акустоэмиссионные отклики, полученные на модельных образцах, подтверждают обусловленность механоэлектромагнитных взаимодействий внешним ЭМ воздействием.

Основные результаты исследований способствуют пониманию и решению актуальных задач вызванной сейсмичности, индуцированной электромагнитным воздействием, и являются составляющей алгоритма его реализации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Закупим A.C., Богомолов Л.М., Аладьев A.B. и др. Взаимосвязь электрической поляризации и акустической эмиссии образцов геоматериалов в условиях одноосного сжатия // Вулканология и сейсмология. 2006. №6. С. 1-12.

2. Закупин А. С., Аеагимов A.A., Богомолов JI.M. Отклики акустической эмиссии геоматериалов на воздействие электроимпульсов при различных величинах сжимающего напряжения //Физика Земли. 2006. №10. С.43-50.

3. Закупин A.C. Физическое моделирование энерговоздействий для разрядки тектонических напряжений (на образцах керамики) // Вестник КРСУ (Киргизско-Российского Славянского Университета). 2004. Т.4. №6. С. 111-115.

4. Закупин A.C. Авагимов A.A., Аладьев A.B., Богомолов Л.М. и др. Акустоэмис-сионные проявления самоорганизации в нагруженных геоматериалах при воздействии электромагнитных импульсов // Вестник КРСУ (Киргизско-Российского Славянского Университета). 2006. Т.6. №3. С. 113-120.

5. Богомолов Л.М., Аладьев A.B., Закупин A.C. и др. Закономерности акустической эмиссии образцов геоматериалов, испытываемых на ползучесть, при энерговоздействиях физическими полями // Проблемы сейсмологии 3-го тысячелетия. - Новосибирск: изд-во СО РАН, 2003. С.168-172.

6. Закупин A.C., Богомолов Л.М., Аладьев A.B. и др. Влияние внешнего электромагнитного поля на активность акустической эмиссии нагруженных геоматериалов // Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов. Отв.ред. Гольдин C.B. и Леонов Ю.Г. Москва-Бишкек. 2003. С.304-319.

7. Богомолов Л.М., Аладьев A.B., Закупин A.C., Ильичев П.В., и др. Отклик АЭ образцов геоматериалов на энерговоздействие - модель наведенной сейсмичности и разрядки тектонической энергии // Напряженное состояние литосферы, ее деформация и сейсмичность. Отв.ред. С.И. Шерман. Новосибирск: изд-во СО РАН. 2003. С. 20-23.

8. Bogomolov L.M., Il'ichev P.V., Okunev V.l., Sychev V.N., Zakupin A.S. Acoustic emission response of rocks to electric power action as seismic-electric effect manifestation // Annals of Geophysics. 2004. V.47. N1. P. 65-72.

A.C. Закупив

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАННЫХ ВАРИАЦИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ОБРАЗЦОВ ГЕОМАТЕРИАЛОВ

Автореферат

Подписано в печать 31.10.2006 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.25 Усл.-печ.л. 1.18

Тираж 100 экз. Заказ N78 Бесплатно ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13/19

ACOSA л з

•гз 7? i

t

У

i

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Закупин, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Состояние разработки проблемы вызванной сейсмичности.

1.1 Вызванная сейсмичность, связанная с динамическими и гидродинамическими воздействиями.

1.2 Вызванная сейсмичность, индуцированная электромагнитным воздействием.

1.3. Физическое моделирование на образцах геоматериалов при динамических и электромагнитных воздействиях.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методика постановки и проведения модельных экспериментов при энерговоздействиях на геоматериалы.

2.1 Система квазистатического нагружения.

2.2 Выбор модельных материалов.

2.3 Модельные источники импульсов электромагнитного поля.

2.4 Методика измерений и техника эксперимента.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Акустоэмиссионный отклик при электромагнитном воздействии на образцы горных пород, обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

3.1 Отклик АЭ на электромагнитные импульсы при различных значениях нагрузки.

3.2 Отклик АЭ при продолжительном воздействии квазипериодическими импульсами.

3.3 Отклик АЭ на высоковольтные кратковременные электроимпульсы.

3.4 Эксперименты с влагонасыщенными образцами горных пород.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Изучение особенностей акустоэмиссионных откликов на воздействие внешних физических полей образцов гетерогенных материалов, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

4.1 Отклики активности АЭ образцов циркониевой керамики на воздействие электромагнитных импульсов.

4.2 Влияние электромагнитного поля на акустическую эмиссию образцов габбро как горной породы, не обладающей пьезоэлектрическими свойствами.

4.3 Обсуждение результатов и статистический анализ данных.

4.4 Спектральные характеристики АЭ при импульсном воздействии ЭМ поля.

4.5. Подходы к объяснению акустоэмиссионного отклика при электромагнитном воздействии в нагруженных геоматериалах.

Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование электростимулированных вариаций акустической эмиссии при деформировании образцов геоматериалов"

Проблема вызванной сейсмичности, связанной с воздействием на среду, одна из важнейших задач геофизики. Общеизвестны результаты аномального изменения сейсмического режима, связанные с искусственными и техногенными воздействиями на среду: создание водохранилищ, разработка нефтегазового месторождений, проходка горных выработок, ядерные взрывы и другие. При этом составляющие процесса взаимодействия, инициирующие вызванную сейсмичность, имеют общую упругую природу. В последние годы получили развитие исследования вызванной сейсмичности, связанной с электромагнитным воздействием на основе импульсного МГД-генератора на полигонах Центральной Азии. Основной вывод сводится к утверждению, что электромагнитные воздействия на сейсмогенные области земной коры оказывают существенное влияние на слабую и умеренную сейсмичность. Однако результатов, полученных по этим данным, недостаточно для понимания природы сейсмоэлектромагнитных взаимодействий.

Физическое моделирование энерговоздействий на геосреду имеет определяющее значение для понимания механизма вызванной сейсмичности. Допустимость изучения сейсмоэлектромагнитных взаимодействий методами физического моделирования опирается на положения о самоподобии исследуемых процессов в разных пространственных и временных масштабах. Основной составляющей в экспериментах с электровоздействием является регистрация акустоэмиссионного излучения, отражающего и сопровождающего структурные изменения в модельных образцах гетерогенных материалов и горных пород при трещинообразовании. При этом открываются новые возможности изучения состояния, тонкой структуры и свойств неоднородных сред, расширяется потенциал решения актуальных задач вызванной сейсмичности и, как следствие, разработка алгоритма контролируемого влияния на сейсмический режим на основе внешнего электровоздействия.

Цель работы

Установить характерные особенности акустической эмиссии, вызванной воздействием внешнего электромагнитного поля на образцы горных пород и модельных материалов при их деформировании в условиях квазистатических нагрузок.

Основные задачи исследования

- Постановка и проведение экспериментов по исследованию активности акустической эмиссии модельных образцов горных пород и искусственных гетерогенных материалов при их деформировании в условиях квазистатических нагрузок и внешнем электромагнитном воздействии.

- Анализ структуры индуцированной акустической эмиссии, определяемой параметрами нагружения, механо-физическими свойствами модельных образцов и структурой электромагнитного поля воздействия.

- Анализ возможных механизмов генерации упругого поля, вызванной воздействием электромагнитного поля в условия квазистатических нагрузок.

Методы исследования

Лабораторное моделирование влияния внешнего электрического воздействия на образцы горных пород и искусственных гетерогенных материалов при квазистатическом нагружении с регистрацией акустической эмиссии; выбор структуры поля воздействия, параметров нагружения и петрофизических свойств образцов.

Статистический анализ экспериментальных данных, построение эмпирических зависимостей.

Защищаемые положения

1. В результате экспериментальных исследований при квазистатических нагрузках и электрическом воздействии на модельных образцах горных пород и искусственных гетерогенных материалов установлена активность акустической эмиссии, обусловленная воздействием электромагнитного поля. При этом результаты отражают подчинённость структуры акустоэмиссионных откликов состоянию и свойствам модельных образцов.

2. Установлено, что водонасыщенные образцы горных пород - пьезоэлектриков обладают большей акустоэмиссионной электрочувствительностью по сравнению с аналогичными сухими образцами, что обусловлено отличным от обратного пьезоэффекта, иным механизмом генерации упругого поля.

3. При лабораторном моделировании установлено, что на испытуемых образцах активность акустической эмиссии, обусловленная воздействием электромагнитного поля, проявляется при значениях осевого сжимающего напряжения выше 0,8 от разрушения, а также при двухосном сжатии, когда уровень бокового сжатия составляет 0,25x0,3 от значений осевой нагрузки.

4. Выявлен триггерный эффект внешних воздействий электромагнитного поля при различной его структуре, отображённый в динамике активности акустической эмиссии и развитии механической неустойчивости в нагруженных модельных образцах. При этом наблюдается запаздывание реакции деформируемого образца относительно момента инициирующего воздействия

Научная новизна

Экспериментально, на модельных образцах горных пород и искусственных гетерогенных материалов при воздействии внешним электромагнитным полем установлена электрочувствительность акустической эмиссии. Установлен диапазон значений главного сжимающего напряжения, в котором материал проявляет чувствительность к воздействию внешнего электромагнитного поля.

Показано, что у водонасыщенных образцов горных пород - пьезоэлектриков акустоэмиссионная электрочувствительность выше, чем у аналогичных сухих образцов и, обусловлена иным механизмом генерации упругого поля, отличным от обратного пьезоэффекта.

Проявление тригтерного эффекта при внешнем воздействии электромагнитного поля различной структуры и его отображение в динамике активности вызванной акустической эмиссии нагруженных модельных образцов.

Практическая значимость

С учётом представлений о самоподобии сейсмического процесса установленные свойства индуцированной акустической эмиссии используются при исследовании деформирования и инициированного разрушения гетерогенных модельных образцов и горных пород при дополнительном внешнем воздействии физическими полями, в первую очередь, импульсным электромагнитным полем. Основные результаты исследований способствуют пониманию управляемого процесса вызванной сейсмичности, индуцированной электромагнитным воздействием, и являются составляющей алгоритма подобного процесса.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований были представлены на втором Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», Бишкек 2003 г.; на пятом Казахстанско-Китайском симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии», Алма-Ата, 2003 г.; на Международной конференции «Электроника и компьютерные науки в Киргизстане», Бишкек, 2004 г; на третьем Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке», Бишкек 2005 г.; на 7-ой международной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Борок, 2005.

Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях и отражено в 4 научных отчётах НС РАН.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в проведении всех представленных в работе экспериментов как сотрудник лаборатории моделирования энергонасыщенных сред Научной станции РАН в г. Бишкеке и ответственный исполнитель соотве1сгвующих подтем по плановой тематике и проектам, выполненных в НС РАН. Диссертантом непосредственно составлены протоколы испытаний, проведены первичная обработка, статанализ, обобщение и интерпретация результатов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Она включает 115 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков и 7 таблиц Список литературы содержит 121 библиографическое наименование.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Закупин, Александр Сергеевич

Основные результаты исследований способствуют пониманию и решению актуальных задач вызванной сейсмичности, индуцированной электромагнитным воздействием, и являются составляющей алгоритма его реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые для широкого ряда модельных образцов горных пород и искусственных гетерогенных материалов проведены исследования активности акустической эмиссии при их деформировании в условиях квазистатических нагрузок и внешнем электромагнитном воздействии. Полученные данные отражают подчинённость структуры акустоэмиссионных откликов физико-механическим и петрофизическим свойствам модельных образцов.

2. Условия выделения энергии при энерговоздействии непосредственно связаны с состоянием среды, с уровнем собственной запасенной энергии. Установлено, что активность акустической эмиссии на модельных образцах, обусловленная воздействием электромагнитного поля, проявляется при значениях осевого сжимающего напряжения выше 0,8 от разрушения, а также при двухосном сжатии, когда уровень бокового сжатия составляет 0,25-0,3 от разрушающего образец уровня.

3. Изучена связь индуцированной акустической эмиссии от структуры поля ЭВ. Применены три источника электромагнитного поля периодических и импульсных воздействий. Все испытанные материалы проявляют чувствительность к воздействию ЭМ поля, проявляющуюся как АЭ.

4. Исследовано влияние ЭВ на модельные образцы пьезоэлектриков. Показано, что у водонасыщенных образцов горных пород - пьезоэлектриков акустоэмиссионная электрочувствительность выше, чем у аналогичных сухих образцов, и обусловлена иным механизмом генерации упругого поля, отличным от обратного пьезоэффекта.

5. Исследована структура индуцированной акустической эмиссии при ЭВ на модельных образцах не обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Сухие образцы циркониевой керамики пассивны к воздействию ЭМ поля. Результаты воздействия ЭМ поля на водонасыщенные образцы циркониевой керамики, а также образцы горной породы габбро, указывают на высокую электрочувствительность АЭ. Причём, при воздействиях от индукционного разрядного устройства наблюдается пропорциональная зависимость между амплитудой отклика и количеством подаваемых импульсов.

6. Наблюдаемые общие тенденции в распределении скачков деформации при повторяющихся энерговоздействиях - вибрациях или электромагнитного поля, позволяют считать, что их формирование в процессе релаксации не зависит от генезиса аномального, упругого поля. При этом обусловлено, что развитие механической неустойчивости, вызванное электромагнитным воздействием, поддерживается триггерными процессами и объясняет наблюдаемое запаздывание реакции деформируемого образца относительно момента инициирующего воздействия.

7. Проведён анализ возможных механизмов генерации упругого поля, вызванного электровоздействием. Показана допустимость формирования индуцированной акустической эмиссии при ЭВ в средах со свойствами, характерными для большинства горных пород - это пористая, влагосодержащая и активная среда. В этой связи акустоэмиссионные отклики, полученные на модельных образцах, подтверждают обусловленность механоэлектромагнитиых взаимодействий внешним ЭМ воздействием.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Закупин, Александр Сергеевич, Москва

1. Авагимов А. А., В. А. Зейгарник, Э. Б. Файнберг. О пространственно-временной структуре сейсмичности, вызванной электромагнитным воздействием // Физика Земли. 2005. №6. С. 55-65.

2. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). М.:ИНЭК. 2005.252с.

3. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология: Теория и методы. Т.1. Пер. с англ. М.: Мир. 1983а. 520 с.

4. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология: Теория и методы. Т.2. Пер. с англ. М.: Мир. 19836.360 с.

5. Акустическая эмиссия и ее применения для неразрушающего контроля в ядерной энергетике.//Под ред.Вакара К.Б., М., Атомиздат, 1980,216 с.

6. Андрейкив А.Б., Лысак Н.В. Метод акустической эмиссии в исследовании процессовразрушения. Киев: Наукова думка. 1989. 176 с.

7. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука. 1990.128с.

8. Баласанян С. Ю. Динамическая геоэлектрика. Новосибирск: Наука, 1990.232с.

9. Баранов Ю.В., Троицкий О.А., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основыэлектроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. МГИУ-ИМАШ1. РАН. М.: 2001. 844 с.

10. Богомолов Л.М., Манжиков Б.Ц., Трапезников Ю.А. и др. Виброупругость, акустопластика и акустическая эмиссия нагруженных горных пород. // Геология и Геофизика 2001. Т.42. №10, С.1678-1689.

11. Богомолов Л.М., Авагимов А.А., Зейгарник В.А. и др. О проявлениях электротриггерной сейсмичности на Бишкекском полигоне //Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. С. 112-117.

12. Бойко B.C., Нацик В.Д. Элементарные дислокационные механизмы акустической эмиссии. В кн.: Элементарные процессы пластической деформации кристаллов. Киев: Наукова думка. 1978. С.159.

13. Вентцель Е.С. Теория вероятностей и математическая статистика:. Учебник. 5-е изд., стереотип. М.: Высш. шк. 1999. 576 с.

14. Викулин А.В. О понятии и величине сейсмического риска // Вычислительные технологии. 1992.1.№З.С.118-123.

15. Виноградов С.Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. М. Наука. 1989.177 с.

16. Владимиров В.И. Физические основы прочности металлов. М.: Наука, 1986,358 с. Воларович М.П., Пархоменко Э.И. Пьезоэлектрический эффект горных пород. Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1955. №3. С.215-222.

17. Волыхин A.M., Брагин В.Д., Зубович А.В. и др. Проявления геодинамических процессов в геофизических полях. М.: Наука. 1993.158 с.

18. Гейликман М.А, Писаренко В.Ф. Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука. 1989.173 с.

19. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука. 1975. 535 с.

20. Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. Взаимосвязь волновых полей мощных вибраторов с атмосферными и геодинамическими процессами. // Геология и Геофизика 2001. Т.40.№3. С. 431-442.

21. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев, Наукова думка, 1975,206 с.

22. Желудев И.С. Физика кристаллических диэлектриков. М.: Наука. 1968.464с. Закржевская Н.А., Соболев Г.А. О возможном влиянии магнитных бурь на сейсмичность// Физика Земли. 2002. № 4. С.3-15.

23. Зуев Л.Б. Физика электропластичности щелочно-галоидных кристаллов. Новосибирск: Наука.Сиб. отд-ние. 1990.120 с.

24. Иванов В.И. Применение метода акустической эмиссии для неразрушающего контроля и исследования материалов //Дефектоскопия. 1980. № 5. С. 65-84.

25. Корнфельд М.И. Электризация ионного кристалла при пластической деформации и расщеплении// УФН. 1975. Т.116. №2. С. 328-339.

26. Корнфельд М.И. Заряженные дислокации в щелочно-галоидных кристаллах // ФТТ. 1978. Т.20. №4. С.1272-1273.

27. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: ИКЦ Академкнига. 2003.424 с.

28. Красильников В. А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. Учебное пособие // Под ред. В. А. Красильникова. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1984.400 с.

29. Кропоткин П.Н., Ефремов В.Н., Макеев В.М. Напряженное состояние Земной коры и геодинамика//Геотектоника. №1.1987. С.3-24.

30. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики. Издательское объединение "Вища школа". 1975.268 с.

31. Куксенко B.C. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел.// Физика прочности и пластичности. Л.: 1986. С. 36-41.

32. Куксенко B.C., Махмудов Х.Ф., Пономарев А.В. Релаксация электрических полей, индуцированных механической нагрузкой в природных диэлектриках. // ФТТ. 1997. Т. 39. №7. С. 1202-1204.

33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Изд. 4-е, испр. и доп. М.: Наука. 1987.246 с. Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза// Вестник РАН. 2001. Т.71.№3. С. 210-232.

34. Мирзоев К.М., Виноградов С.Д., Рузибаев 3. Влияние микросейсм и вибраций на акустическую эмиссию// Физика Земли. 1991. № 12. С.69-72.

35. Михайлова Н.Н. и др. Каталог землетрясений Северного Тянь-Шаня и прилегающих территорий за 1975-1982г.г. Часть 1. Алма-Ата: Наука. 1990.202 с.

36. Михайлова Н.Н. и др. Каталог землетрясений Северного Тянь-Шаня и прилегающих территорий за 1975-1982г.г. Часть 2. Алма-Ата: Наука. 1990.227 с.

37. Мушин И.А., Погожев В.М., Макаров В.В. Сейсмические отображения перерывов осадконакопления. Прикладная геофизика, 1995,129, с 3-24.

38. Николаев Н.И. О состоянии проблемы изучения землетрясений, связанных с инженерной деятельностью.// В сб.: Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Наука. 1977. С.8-21.

39. Николис Дж. Динамика иерархических систем: Эволюционное представление: Пер. с англ.//Предисл. Б.Б. Кадомцева. М.: Мир. 1989.488с.

40. Потапов О.А., Лизун С.А., Кондрат В. Ф. Основы сейсмоэлектроразведки. М., Недра, 1995, 268 с.

41. Райе Дж. Механика очага землетрясения. М.: Мир, 1982. с 217.

42. Ребиндер П. А., Щукин Е. Д., Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения.// Успехи физических наук. 1972 Т.108. В. 1 С. 3-12. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука.1975. 288 с.

43. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойствах дискретности горных пород// Изв. АН СССР. Физика Земли. 1982. №12. С.3-18.

44. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука. 1987.100 с. Седов Л.И. Механика сплошных сред. М.: 1968.520 с.

45. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В. и др. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций. М.: Радио и связь. 2000.280 с.

46. Соболев Г.А., Шпетцлер X., Кольцов А.В., Челидзе Т.Л., Экспериментальное изучение инициированной неустойчивой подвижкой. //Построение моделей развития сейсмического процесса и предвестников землетрясения. Т.П. М.: 1993. С.38-47.

47. Спицын В.И., Троицкий О,А. Электропластическая деформация металлов. Наука. М.: 1985. 160 с.

48. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах. М.:Недра. 1985.271 с.

49. Станчиц С.А., Томилин Н.Г. Исследование временных параметров акустических сигналов при образовании трещин отрыва. //Прогноз землетрясений, №4. Физические аспекты прогноза сейсмических явлений. Душанбе Москва: Дониш. 1984. С.31 -46.

50. Сташенко В.И., Троицкий О.А. Влияние частоты импульсного тока и внешнего механического напряжения на скорость ползучести кристаллов.//Физика металлов и металловедение. 1982. Т. 53. С. 180-184.

51. Сытинский А.Д. О планетарных атмосферных возмущениях во время сильных землетрясений // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 2. С.132-137.

52. Сытинский А.Д. О связи землетрясений с солнечной активностью // Изв. АН СССР, Физ. Земли. 1989. №2. С. 13-30.

53. ТамужВ.П., КуксенкоВ.С. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: Зинатне. 1978.294с.

54. Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // Докл. РАН. 1997. Т.353. №4. С.542-545.

55. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В., Авагимов А.А., Зейгарник В.А. Воздействие мощных электромагнитных импульсов на сейсмичность Средней Азии и Казахстана// Вулканология и сейсмология. 1999. №4-5. с 152.

56. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В., Авагимов А.А., Зейгарник В.А. Изменение сейсмичности Бишкекского геодинамического полигона при электромагнитном воздействии// Геология и геофизика. 2001. Т.42. №10, С.1641-1649.

57. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В. Влияние геомагнитных бурь на сейсмичность. //Третий международный симпозиум по применению магнитных, электрических и электромагнитных методов в сейсмологии и вулканологии. 2002. Москва. С. 206-208

58. Фатеев Е.Г. Электрическая сверхчувствительность природных кристаллогидратов при высоких давлениях.// Физика Земли. 2005. №12. С.58-65.

59. Челидзе Т. JI., Черголейшвили Т.Т. Теория неупорядоченных сред и некоторые проблемы нелинейной сейсмики. Проблемы нелинейной сейсмики. М., Наука, 1987, с 41-50.

60. Черняк Г.Я. О физической природе сейсмоэлектрического эффекта горных пород// Физика земли. №2. 1976. С. 108-112.

61. Шамина О. Г. Упругие импульсы при разрушении образцов горных пород. Изв. АН СССР, сер. Геофиз. №5. 1956. С. 513-518.

62. Шемякин Е.И., Курленя М.В., Кулаков Г.И. Квопросу о классификации горных ударов. // ФТПРПИ. 1986. №5. С.3-11.

63. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках / Под ред. Ю.А. Осипьяна. Эдиториал УРСС. М.: 2000.320 с.

64. Gupta H.K., Rastogi B.K., Narain H. Common features of the reservoir-associated seismic activities. // Bull.Seismol.Soc.America. 1972. V62. №2. P. 481-492.

65. Healy J.H., Rubey W.W., Griggs D.T., Rateigh C.B. The Denver earthquakes// Science. 1968. V.161.№3848. P.1301-1310.1.win G.R. Analysis of stresses and straines near rhe end of crack traversing a plate. // J. Appl. Mech.1957. V.24. №3. P.361-364

66. Mogi K. Study of elastic shocks coused by fracture of heterogeneous materials and its relation tothe earthquake phenomena. // Bull.Earthq.Res.Inst. v.40. №1.1962a. P. 125-173.

67. Mogi K. The fracture of a semi-infinite body coused by the inner stress origin and its relation to theearthquake phenomena. // Bull.Earthq.Res.Inst. V.40. №4.1962b. P. 815-868.

68. Rueda F. On the charge flow during plastic deformation in rock salt// Phil. Mag. 1963. V.8. № 85.1. P.29-42.

69. Salikhov K.M., Molin Y.N., Sagdeev R.A., Buchachenko A.L. Spin Polarization and Magnetic Effects in Radical Reactions. Elsevier. Amsterdam. 1984.415 p.

70. Sobolev G.A., Ponomarev A.V., Avagimov A.A., Zeigarnik V.A. Initiating acoustic emission with electric action//Proc. 27-th ESC General Assembly ESC. Lissabon. Portugal. 2000.

71. Stavrolakis J.A., Norton F.H. Measurement of the torsion properties of alumina and zirconia at elevated temperatures// J. Am. Ceram. Soc. 1950. V.33. P. 263-73.

72. Stepanov A.W. tJber den Mechanismus der plastischen Deformation. 1 //Zs. Phys. 1933. V.81. №2. P. 560-564.

73. Tadakoro K., Nishigami K., Ando M., Hirata N., Kano Y. Seismicity changes related to a waterinjection experiment in the Nojima fault zone// Island arc. 2001. V.10. №3/4. P.235-243.

74. Utsu T. A statistical study on the occurrence of aftershocks. Geophys. Mag. 30, 1961. P. 521-605.