Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Модельные исследования источников электромагнитных предвестников землятресений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Модельные исследования источников электромагнитных предвестников землятресений"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю.ШМИДТА

На правах рукописи УДК 550.34+ 552.1: 53

РОЖНОЙ Александр Александрович

МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Специальность 04.00.22 - физика твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

чу . I

Работа выполнена в Объединенном институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, г. Москва. Научные руководители:

доктор физико-математических наук O.A. ПОХОТЕЛОВ. доктор физико-математических наук И.Л. ГУФЕЛЬД.

Официальные оппоненты:

Академик РАН, доктор физико-математических наук Бучаченко А.Л.

(Институт Химической Физики РАН) доктор физико-математических наук Виноградов С.Д.

(Институт Физики Земли РАН) Ведущая организация:

Институт Геологии и Геофизики.(Ю.-Сахалинск)

. Защита диссертации состоится "" 12. "" г."в IЧ час<

на заседании Специализированного Совета по геофизике К.002.08.04 при Объ диненном институте физики Земли РАН (123810, Д-242 Москва, ул. Б. Грузи екая, д. 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного институ физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Автореферат разослан " ) 7- " 1998 г."

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат физико-математических наук I А.Д. Завьялов

ВВЕДЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В настоящее время ведутся широкие исследования электромагнитных эф фектов, сопровождающих процессы разрушения горных пород. Этот интерес стимулируется задачами прогноза землетрясений, а также горных ударов.

Толчком к изучению электромагнитных явлений, возбуждаемых при сейсмотектонических процессах и в горных разработках, послужили лабораторные исследования электризации в процессах деформирования и разрушения материалов. С семидесятых годов и по настоящее время опубликовано около 100 наблюдений электромагнитных эффектов в период землетрясений в различных сейсмоактивных районах мира (Средняя Азия, Балкона - Карпатская зона, Япония, Кавказ и др.). Однако, из этих наблюдений нельзя сделать выводы о местонахождении первичных источников в земной коре или, возможно, вторичных источников в нижней ионосфере, искажающих ЕИЭМП (естественное импульсное электромагнитное поле Земли). При этом известно, что возмущения ЕИЭМП могли вызываться и причинами не сейсмической природы, а метеоусловиями или космическими воздействиями на ионосферу и магнитосферу Земли. По морфологическим особенностям возмущения ЕИЭМП предположительно сейсмической природы не отличаются от возмущений, наблюдавшихся непосредственно перед землетрясениями, и имеют продолжительность от десятков минут до суток. Отличительные признаки возмущений электромагнитного поля сейсмотектонического происхождения выявлены не были. Поэтому нельзя было исключить "подходящих" совпадений сейсмических событий и возмущений ЕИЭМП несейсмической природы.

В последние годы направление экспериментальных исследований стало смещаться от работ по обнаружению электромагнитных явлений (перед землетрясениями) к работам по изучению эффектов в определенных оболочках Земли, т.е. в литосфере, ионосфере и атмосфере. При исследованиях электромагнитного излучения (ЭМИ) поверхностных источников начали выявлять их связь с

деформационными процессами. Однако, накопленные полевые наблюдения совпадений возмущений естественных и искусственных электромагнитных полей у сейсмических событий не дают информации о возможной природе крупномас штабных сейсмоэлектрических преобразований в земной коре и сейсмоионо сферных взаимодействий. Фактически продолжаются работы на обнаружение |> установление достоверной связи наблюдаемых эффектов с сейсмическими про цессами. Хотя теоретические работы показывают возможность различного про явления электромагнитных эффектов при сейсмотектонических процессах ь отсутствуют ограничения на перенос лабораторных данных по процессу разру шения на земную кору, тем не менее, поиски электромагнитных эффектов осуще ствляются не целенаправленно. Это связано с тем, что в теоретических пред ставлениях почти не анализируются особенности возбуждения механоэлектриче ских преобразователей (МЭП) в земной коре по сравнению с лабораторным! образцами. Механизмы возбуждения единичных МЭП в земной коре и в лабора торных образцах однотипны, а их схожесть обусловлена достижением пороговы; уровней упругих напряжений в зоне будущих источников ЭМИ. В то же время ус ловия земной коры отличаются от лабораторных условий тем, что возможно кол лектианое возбуждение множества МЭП, распределенных в значительном объе ме. Для надежного выделения электромагнитных полей множества МЭП в уело виях естественного электромагнитного шума необходимо знать характеристик! единичных источников, такие как дипольный момент, мощность излучения, пре имущественный частотный диапазон излучения.

В связи с изложенным, представляет интерес исследование характеристи единичных источников МЭП в горных материалах и моделирование эффекш коллективного возбуждения МЭП в условиях земной коры. Кроме того, эти иссле дования дают возможность построения модели источников электромагнитны: предвестников землетрясений. Эти работы являются основным содержаниег диссертации.

Актуальность темы определяется задачей, решение которой даст возможность представить модели источников электромагнитных изучить физические закономерности возбуждения предвестников землетрясений и в земной коре

юктромагнитных полей сейсмотектонического происхождения для выделения югностических признаков подготовки землетрясения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальные исследования в лабораторных условиях фактеристик единичных излучателей -трещин в горных материалах и исследо-ания коллективного возбуждения механоэлекгрических преобразователей при )упномасштабном моделировании в условиях земной коры с целью учета этих энных для построения моделей источников электромагнитных предвестников. ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

Методика определения электрических характеристик (величина переносимого аряда, амплитуда тока дислокационной природы, частотный диапазон) магист-альных трещин при разрушении лабораторных образцов. Закономерности возбуждения токовых источников дислокационной природы и < характеристики в фазе разрушения образцов различных материалов.

Условия возбуждения механоэлектрических преобразователей в земной коре ри контролируемых воздействиях механических нагрузок в крупномасштабных <спериментах (взрывы).

. Связь условий возбуждения механоэлектрических преобразователей в земной эре с моделями электромагнитных предвестников землетрясений. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

. Разработана система регистрации пролетных зарядов с использованием нтенны Роговского при разрушении горных материалов и кристаллов в лабора-эрных условиях. Апробирована методика восстановления формы и амплитуды оковых импульсов по их отклику.

. Получены для горных материалов абсолютные значения величин зарядов, пе-еносимых в вершине трещины, лежащие в интервале (4-200)* Ю-7 Кл. Рассчи-

2

аны Мощности излучения единичных трещин, составляющие (2-200р*1(Г Вт. . Показана связь между низкочастотной составляющей спектра акустической миссии и процессами перемещения зарядов дислокационной природы в фазе азрушения. Появление низкочастотной составляющей спектра (100 - 1000 Гц) в

сигнале дислокационного тока указывает на некоррелированность включения единичных источников.

4. Определены критические предельные расстояния, связанные с уровнем деформации, на которых возможно возбуждение электромагнитного излучения -ЭМИ (электромагнитное излучение) от упругих волн взрывных и сейсмических источников. Показано, что спектры ЭМИ лежат преимущественно в диапазоне 618 Кгц.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработаны методические вопросы контроля электромагнитных полей литосферного происхождения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на совещании рабочей группы Комиссии по физике очага и прогнозу землетрясений МССС «Электромагнитные исследования / Махачкала 1989, Алма-Ата - 1991/, Межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн / Томск - 1991/, Всесоюзные симпозиумы по механоэмиссии с механохимии твердых тел / Ростов-на Дону - 1986/, Всесоюзной школе-семинаре по электромагнитному зондированию. Звенигород, ноябрь 1984 г., Школе семинаре по ОНЧ-излученям /Якутск - 1985/, Всесоюзном семинаре по измерениям напряжений в массиве горных пород /Новосибирск -1987/, Генеральная Ас самблея Международного геофизического союза /Ванкувер - 1987/, Школе семинаре "Статистические методы обработки сигналов и изображений /Новосибирск - 1991/, Международном семинаре "Напряжения в литосфере /Москва - 1994/.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать пе чатных работ в журналах и тематических сборниках. Список публикаций приведе в конце автореферата.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пята глав, и заключения. По каждой из гла даны краткие выводы. Рукопись содержит 144 страниц машинописного текст! 51 рисунок, 9 таблиц и список литературы из 118 наименований.

Диссертационная работа выполнена в Институте Физики Земли АН СССР в отделе Электромагнитного поля Земли под руководством доктора физи-

ко-математических наук И.Л. Гуфельда и доктора физико-математических наук профессора O.A. Похотелова. Автор выражает большую признательность своим руководителям за постоянное внимание и руководство.

В работе использованы экспериментальные данные, полученные при непосредственном участии автора. Автор признателен М.Б. Гохбергу, А.М. Булошни-<ову, H.H. Никифоровой, А. Федотову и О,В. Козыревой за непосредственное участие и помощь в организации и проведении экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. Дано краткое изложение круга вопросов, определивших удержание диссертации, приведена общая характеристика работы.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Глава посвящена обзору основных экспериментальных данных и ■еоретических представлений об электромагнитных процессах при разрушении эазличных материалов, природе источников электромагнитных предвестниках ¡емлетрясений, режимах подготовки сейсмических событий.

В настоящее время основное внимание уделялось двум моделям электромаг-1итных предвестников: модели поверхностных источников и модели крупномас-итабных токовых источников. Однако, из-за высокой средней проводимости емной коры (ю-2-10-5 См/м), увеличивающейся в осадочном чехле до 1-0.1 :м/м, нельзя ожидать искажения естественных электромагнитных полей МЭП, юзбуждаемых в области очага на глубинах больше нескольких километров. Потому начали рассматривать действие хаотически возбуждаемых поверхностных

1сточников.

Проведённые в целом теоретические и экспериментальные исследования не юзволяли ответить на вопрос: при каких условиях деформирования возможна еализация модели поверхностных источников. Здесь главными вопросами, на

которые необходимо ответить, остаются следующие: Какие критические дефор мации и их скорости необходимы, чтобы выделить из фона радиочастотное излу чение, возбужденное МЭИ (механо-элекгрические преобразователи). В каког. диапазоне частот, и на каких средах лучше искать проявление сейсмотектониче ского возбуждения поверхностных МЭП?

В реальных условиях земной коры регистрация и выделение ЭМИ от от дельных (единичных) источников существенно ограничена. Это связано с мозаич ным распределением источников в поверхностном слое, наличием электромаг нитных шумов естественного происхождения, отсутствием использования незавк симых методов контроля возбуждения таких источников (например, по акустиче ской эмиссии). В связи с этим для надежного выделения полей этих источнико необходимы исследования электрических характеристик, включая величины пе реносимых зарядов в вершине трещин, дипольного момента и мощности излучс ния источников, преимущественного диапазона частот некоррелированно возб} ждаемых источников. Подчеркнем, что постановка исследований дипольны моментов связана с особенностями возбуждения источников при образовани трещин, представляющих токовые системы дислокационной природы. Выбор в исследованиях низкочастотного диапазона измерений (0-40 Кгц) св? зан с тем, что в условиях разрушения магистральная трещина формируете совокупностью множества коррелированно и не коррелированно образующихс микротрещин.

В заключении главы обоснована постановка работ и задачи исследований.

ГЛАВА И. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ДИПОЛЬНЫХ МОМЕНТОВ ТОКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНТЕННЫ РОГОВСКОГО

Для измерения электрических и магнитных полей, возникающих в образцах, основном используют электрические и магнитные антенны (электрический д поль, магнитная рамка). Однако, при измерениях характеристик источников пол чены данные, отличающиеся у различных авторов на несколько порядков: Э" связанно, в основном, с трудностями калибровки электрических и магнитных ан-

генн в ближней зоне источников, в особенности на низких частотах.

Наиболее достоверной методикой, с нашей точки зрения, воспользовался Фин-сель с сотрудниками (1967 г.). Он использовал для регистрации ЭМИ при разрушении кристаллов UF антенну Роговского.

В связи с этим для исследований электрических характеристик динамических 1Сточников излучения (движущийся заряд в вершине трещины) мы остановились на использовании пояса Роговского (антенна Роговского). Однако в отличии от методики Финкеля осуществлялась регистрация производной тока. Для идентифи-:ации связи регистрируемых электрических характеристик с деформационными фоцессами разработан комплекс аппаратуры, позволяющий проводить регист->ацию акустической эмиссии, электромагнитного излучения, тока, протекающего в >бразце, и нагрузки.

Три разрушении образца и по мере образования трещин возникают заряды в их аршинах. Изменение плотности зарядов индуцирует эдс в витках проводника юяса Роговского, пропорциональное di/dt. Исходя из этого можно считать, что ток

ia входе системы i(t) — \{dqt dt)dv связан с непрерывным с игналом j(t) на

V

¡ыходе линейным дифференциальным уравнением: -К / , i, d'

Ij с к , к > ~ ¿j о I dt '=» dt

1ЛИ, что эквивалентно, уравнением свертки: j{t) = h(x)i{t - r)dr '

о

Декретная последовательность yk = j{s*k), где s -интервал дискретизации сек), приближенно связана с последовательностью Xt = J(s*^ разностным

L и

равнением: = ^LdmXk-m ^ ^сли спектР сигнала^) финитный и

1=0 к~ м=0 m ™

астота дискретизации 1/s удовлетворяет теореме "отсчетов", то приближение (1) ем более точное, чем выше порядок L и М. Используя нулевые начальные ус-

овия: ук = 0, к < О, = 0, / < 0, можно по наблюдениям ук на выходе

рекуррентно вычислить ряд Хк на вх0Де. т е- ток в образце в дискретные моменты времени. Для этого нужно знать значения коэффициентов Qk, .

Эти коэффициенты были определены с помощью калибровки, которая состоит в том, что через проводник, проходящий через плоскость пояса Роговского, пропускают переменный ток ¡(t) известной формы, амплитуды и длительности, регистрируемый с высокой точностью одновременно с выходным сигналом j(t) прошедшим через систему пояс Роговского-усилитель-магнитограф. При этоы обеспечивается отношение сигнал/шум, приблизительно 1000 (по мощности) и следовательно, имеется возможность достаточно точно оценить коэффициенть уравнения(1). Используя уравнение (1) с известными коэффициентами q} и

можно по известному выходному сигналу получить сколь угодно точное значена входного сигнала, при условии отсутствия помех. Система и методы обработо были опробованы на калибровочных сигналах.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОЛЛЕКТИВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ МЭП В ФАЗЕ РАЗРУШЕНИЯ (ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)

Процессам на стадии разрушения ранее уделялось мало внимания. Основны исследования проводились на стадиях подготовки разрушения, с тем, чтоб! осуществить перенос данных на условия земной коры. В то же время было пс нятно, что перенос прогностических признаков подготовки разрушения лаборг торных образцов (изменения сопротивления, скорости прохождения упруга волн, накопление дефектов) на условия земной коры может носить условный х; рактер. Это, как известно, связано с тем, что в лабораторных условиях не мод< лируется ни состояние горной среды, ни условия деформирования. Поэтов изучение особенностей возбуждения МЭП в стадии разрушения лабораторнь образцов представляет интерес для построения моделей источников элеетр! магнитных предвестников, в том числе и проверке возможности существования

юдели токовых источников. Лабораторные исследования на стадии разрушения |редставляются необходимыми также для оценки реальности модели поверхностях источников. В полевых условиях совершенно нереальным является обнару-сение излучения единичных микроскопических МЭИ из- за значительного уровня |зона естественных источников. Возможной является регистрация излучения от оллективно возбуждаемых источников, например, при разрушении локальных |бъемов с размерами порядка сантиметров (т.е. размера лабораторных образов). Подобные зоны разрушения существуют, например, в шахтных условиях. 1менно поэтому параметры фазы разрушения представляют интерес.

В главе 111 излагаются результаты исследований лабораторных образцов на тадии разрушения, особенности возбуждения МЭП, а также характеристики юточников излучения. В процесс разрушения мы включаем акт разрушения и аключительную стадию разрушения, т.е. период скольжения частей образца по оверхности разрыва.

Одновременно контролировался дислокационный ток (антенна Роговского), лектромагнитное поле (электромагнитное излучение ЭМИ) и акустическая эмис-ия в широкой и узкой полосах.

3 экспериментах исследовались различные горные материалы: песчаник, извест-як, кварцевый сиенит, гранит, мрамор, туф, магнетитовая руда и др. Всего было роведено измерений на 153 образцах. Форма образцов: цилиндрическая (диа-1етр 0.02-0.04 м, высота 0.08- 0.12 м) и параллелипидальная (стороны 0.015-0.04 I, высота 0.08-0.12 м). Для сравнения полученных данных с данными других ав-оров, исследовавших монокристаллы, были проведены дополнительные иссле-ования на кристаллах LiF.

РАЗРУШЕНИЕ РАСКОПОМ. Измерения проводились на лабораторном прессе. 1спользуемый для раскола нож жестко крепился к верхнему пуансону. В этих кспериментах регистрировались акустическая эмиссия и ток (антенной Рогов-кого). Естественным для этих условий нагружения было формирование ограни-енного числа трещин раскола: от одной до трех. Это фиксировалось по числу астей, на которые образец разваливался.

1роведенные исследования особенностей возбуждения токовых источников в

фазе разрушения на модельных кристаллах ир (Рис.1.а,б) и горных материалах (Рис.2.а,б) указывают на схожесть протекающих процессов. В связи с этим природа токовых источников на модельных кристаллах и горных материалах связана в рамках известных представлений с перемещением скоплений заряженных дислокаций в вершинах трещин. Схожесть процессов особенно показательна при разрушении исследуемых материалов расколом. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что

заметное возбуждение дислокационного тока происходит с началом формирования магистральной трещины, с момента появления которой формируется низкочастотная акустическая эмиссия и импульс тока.

РАЗРУШЕНИЕ ОДНООСНЫМ СЖАТИЕМ. Несколько более сложные процессь возбуждения дислокационных токов при разрушении материалов в условия> одноосного сжатия, хотя в целом морфология импульсов схожа с процессами пру расколе.

0.0

• 200.0

ТТТГГрТТГТГТ'ГГТ ТТГГП <!-< 0.8 1.2 мда

N

/

/ 6

0.2 -}-гтТТТТТТ П П ГТГ|ТГПГГГ| Ш> 0.4 М 1.2

450 3001.50 -

о

-Л50-

т—I—I—|-Г-1--Г—[—1—г—Т Г

и

"1—7—Т—Г"Г-г—г—Г"г I I I . 'Г-1

Рис.1.фрагмент записи производной Рис.2, фрагмент записи производно

тока (а) самого тока на кристалле УР (б) тока (а) и самого тока (б) на образце

гранита.

Эта сложность связана с тем, что при одноосном сжатии непосредственно перед ютерей образцом конструктивной устойчивости происходят отколы, направления ;оторых могут быть различными относительно плоскости антенны Роговского. Анализ таких процессов приведен при описании экспериментов. Следовательно, |нтенна Роговского позволяет надежно регистрировать процессы множественно-о трещинообразования, протекающие в разных направлениях.

При рассмотрении результатов была обнаружена зависимость амплитуды тока >т скорости потери образцом конструктивной устойчивости. С ростом скорости >азрушения амплитуда тока увеличивалась.

Также как и в экспериментах на раскол, в опытах с одноосным сжатием, возбу-сдение импульсов тока совпадало с моментами макроскопической деформации бразцов, которым сопутствует развитие магистральных трещин различного азмера. Моменты появления магистральных трещин выделяются по появлению изкочастотной акустической эмиссии. При этом фиксировалось также возбужде-ие токов в заключительной стадии разрушения, т.е. в период скольжения частей бразца по поверхности разрыва.

Анализ спектров процессов возбуждения токов и их производных) и ЭМИ при разрушении горных материалов показывает их близость (рис.3.). На частотах свыше 10 Кгц значимый уровень сигналов в спектрах не выделен. Подчеркнем, что в наших измерениях в ближней «г« зоне источников в действительности

регистрировалось не ЭМИ ис.З, Спектр сШЛ и ЭМИ при разру- (электромагнитное излучение), а гении образца туфа поле колеблющихся зарядов. Этим

эъясняется близость основных частот в энергетических спектрах процессов эзбуждения токов и ЭМИ. Их спектры имеют дискретный образца туфа зрактер, что подтверждает основной\ вклад в формирование электромагнитных

полей процессов разделения зарядов, а не разрядных процессов на бортах тре щин.

При анализе спектров токов и ЭМИ выявлена еще одна особенность. Непо средственно в актах разрушения образцов при одноосной нагрузке максиму! энергетического спектра процессов смещается в низкочастотную область.

Наличие низкочастотной области в спектре электромагнитных полей (от не скольких десятков герц до десятков килогерц) при разрушении горных материа лов отмечено во многих работах. Однако в этих работах не обсуждалась прирс да низкочастотной составляющей электромагнитного поля.

Низкочастотная область спектра выделена нами также при разрушении кру сталлов [Ж Однако здесь максимум энергетического спектра лежит на уровне 40 Кгц. Эти данные согласуются с результатами работ Головина (1986) и Шибкс ва (1989), в которых также проводились измерения полей в мегагерцовом диг пазоне спектра. Авторы этих работ связывает появление низкочастотной состэе ляющей в спектре поля с развитием и движением скоплений дислокаций и ска<-кообразным характером деформаций.

Аналогичная ситуация характерна также для горных материалов, а появлени более низкочастотной составляющей в спектре возбуждения токов отражав большую дисперсность структуры, и как следствие этого, большую множествен ность последовательных скачкообразных микродеформаций и микрорастресю* ваний, т.е. то, что мы называем некоррелированным возбуждением источникое При этом фиксируется низкочастотная огибающая высокочастотных импульсоЕ Действительно, в спектре восстановленного тока появляется постоянная состэе ляющая.

В работе приведены обобщенные данные для горных материалов и кристах лов ИР по величинам перенесенного заряда, времени возбуждения заряда, рае четные значения дипольного момента с) (б «0*1, где I- линейный размер о£ разца) и мощность излучения \Л/ источника. Для кристаллов УР

¿/ = 10~14Кл*м, Ж = Вт. Для горных материалов средние значения

¿/=10-12-10 ^Кл*м, Вт. Полученные интервалы значений

соответствуют измерениям на 10 - 20 образцах каждого материала. Этот разброс значений отражает неконтролируемость на каждом из образцов исходного дисперсного состава и приместных включений. Причем с1 и № рассчитывались для дипольного источника -трещины, имеющей линейные размеры образца (I). Основанием для использования в расчетах линейного размера образца типа ионного диэлектрика являлась его поляризация при разрушении. Эти результаты для широкого класса горных материалов были получены впервые. Поэтому представляло интерес сравнить эти данные с результатами отдельных работ, из которых основной интерес представляли те, где выполнена калибровка измерительных трактов. ■ На кристаллах ионных диэлектриков № и №С1 были получены значения

[Головин с сотрудниками, 1986-1987 г.]. В этих экспериментах образцы не доводились до разрушения, поэтому большие значения с! в наших экспериментах выглядят естественно. Однако развитие трещины, представляемой диполем с движущимся в вершине трещины зарядом, имеет определенные особенности. Движение вершины трещины происходит не непрерывно, а ступенчато, т.е. последовательно включаются в движение (перескоки) новые скопления дислокаций. Поэтому длиной диполя в каждый момент времени нужно считать эффективное расстояние единичного перескока скоплений дислокаций. Это расстояние по разным . исследованиям по поряд Рис.4 Фрагмент записи производной тока (а) И восстановленного тока (б) на кристалле ЫР.

-ТТТГТТТТТТТТТТТр I 1 II II I I 0,1X50 0.100 0.М0 0.4ВП

ках

ТПТ1 I !' I I I тттггр I I I I II П

0.000 О 160 0.320 0.480

ку величины равно ю-5.,« (№С1, УЯ). Далее необходимо учитывать эффективное время единичного перескока. Это время можно получить из графиков вступления тока (рис.4). Оно в среднем равно ю--'с- Учитывая это, получаем по

данным наших экспериментов значение с! = юГ^Ю&м, что по порядку величины совпадает с данными Головина. Использование этого подхода к данным других авторов, где не проводилось калибровка, дает существенно отличные результаты.

Поэтому были рассчитаны значения дипольных моментов для исследуемых горных материалов, при длине единичного перескока дислокаций,

равной величине размера зерна, т.е. ■ Это максимальная оценка. Для

исследуемых горных материалов получены следующие значения дипольных моментов ^ ~ 10~13-ю-1■

При расчетах мощности излучения диполей, образованных единичным перескоком дислокаций и их скоплений, диапазон частот излучения смещается в область десятков килогерц. Для этого диапазона частот мощность излучения дислокационных источников в горных материалах составит цг = ю~17-10-15 Вт'

для кристаллов ИР - цг 210- 21 Вт.

Полученные впервые для горных материалов экспериментальные значения дипольных моментов и мощности излучения используются для оценок реализации моделей электромагнитных предвестников.

ГЛАВА IV. Исследование возбуждения источников электромагнитного излучения в поверхностных слоях земной коры при контролируемых механических воздействиях

Условия регистрации ЭМИ поверхностных источников земной коры сущест-

зенно отличаются от лабораторных, хотя механизмы их возбуждения схожи и обусловлены достижением порогового уровня упругих напряжений в зоне источ--1иков. Так, единичные акты возбуждения МЭП в лабораторных или горных условиях длятся несколько десятков или сотен миллисекунд. Для лабораторных условий известно, что при расположении антенны от образца уже на расстояниях эольших 0.5-1.0 м. выделить сигнал ЭМИ из фона не удается. Масштабность и неоднородность горной среды предопределяет пространственную и временную эазнесенность возбуждения МЭП. При этом возможно коллективное возбуждение МЭП, включающихся хаотично или корреливанно во времени. Если здесь условия регистрации ЭМИ при МЭП аналогичны лабораторным, то в полевых данных, свя-!ывающих ЭМИ с поверхностными источниками, можно было бы ожидать почти непрерывного возбуждения источников во всей области деформирования, в том нисле и в локальной зоне расположения антенн. Наиболее благоприятная ситуация выделения таких источников возможна лишь в период акта землетрясения, длящегося десятки секунд. В периоды между землетрясениями в сейсмоактивных районах наблюдается регулярный режим деформирования с весьма малой средней скоростью «ю-13^ > которая перед землетрясением может увеличи-

заться до и Ю-10^ • Возможно ли в этих условиях выделить источники ЭМИ?

Возникает вопрос, какие необходимы условия деформирования земной коры, нтобы надежно выделить ЭМИ земной коры. При этом имеется в виду, что наибо-1ее благоприятные условия выделения и обнаружения ЭМИ имеют поверхностные источники. Механизмы электризации в поверхностных слоях земной коры эудут зависеть от свойств среды. Так на песчаных грунтах электризация и ЭМИ связаны с контактными явлениями, а на плотных грунтах (скальные породы, известняки и др.)- с процессами трещинообразования. Для надежного же выделения ЭМИ поверхностных источников необходим контроль деформационного состояния среды. На начальной стадии работ использование деформационных процессов естественного происхождения (тектоника, метеофакторы) представляется малоэффективным, т.к. неизвестна чувствительность различных пород земной

коры к возбуждению ЭМИ, коэффициенты преобразования механической энергии в электромагнитную энергию.

В связи с этим предприняты работы по моделированию процессов коллективного возбуждения МЭП в условиях земной коры с использованием контролируемых механических воздействий. Один из путей возбуждения МЭП в земной коре связан с упругими волнами, формируемыми при динамических воздействиях. Для этих целей могут быть использованы взрывные источники. Используя различные мощности взрывных источников и проводя измерения на различных расстояниях, можно в широких пределах варьировать уровень механического воздействия на среду при прохождении через нее упругих волн. В экспериментах было возможно определить чувствительность среды к возбуждению ЭМИ, а также моделирование эффектов коллективного возбуждения МЭП и их влияние на уровень естественных электромагнитных полей.

Для исследований преобразований механической энергии в электромагнитную энергию с использованием взрывных источников использовался комплекс аппаратуры, позволяющий регистрировать сейсмические, акустические и электромагнитные поля. Датчики располагались группами, на различных расстояниях от места взрыва, причем каждая группа содержала датчики всех трех типов.

Для контроля момента взрыва в его зоне устанавливался разведочный датчик СВ-10, или гальванический элемент, контакты на котором размыкались при начале выброса. Деформация в точке наблюдения у оценивалась как £ - ^ , где

у - вертикальная скорость смещения частиц грунта, ур - скорость распространения продольной волны. Так как взрывы на одних и тех же грунтах проводились в разных местах, то необходима была оценка сейсмического воздействия

в различных точках регистрации ЭМИ. Для этой цели использовалось, введенное

7_ *

М.А. Садовским, значение приведенного расстояния: и ~~ у

Ев/3

Я - расстояние от взрыва до точки регистрации, - энергия взрыва. В >асчетах вместо ]7в использовалось значение -сейсмической энергии взры-)а, которая в зависимости от мощности взрыва и его глубины оценивалось как

Ес = 10~3-10~4Я<, •

Для расчета энергии источников ЭМИ использовалась следующая процедура: по смеренным величинам сигналов в ближней зоне источников оценивался его эффективный дипольный момент, а далее рассчитывалась интегральная энергия 1злучения.

•1а серии взрывных экспериментов (около 100), проводимых на различных грун-ах, определялись предельные значения деформации и скорости деформирова-1ия грунта, при превышении которых можно было выделить ЭМИ возбуждаемых юточников из естественного фона. Экспериментально получены следующие зна-1ения деформаций, при превышении которых было возможно выделение ЭМИ

юверхностных источников: скальный грунт-¿-»3« песчаный

рунт£-»3» Ю-^ • Было показано, что радиус зоны регистрации ЭМИ не превышал 5-10 м.

Особенности возбуждения ЭМИ на песчаных и скальных грунтах были различ 1ы. Так, на песчаных грунтах, регистрируется фактически огибающая более высо-очастотного излучения (рис.5), в

«» IТУПГПТ

9.5С

>ис5. Пример возбуждения ЭМИ (есчаном грунте

Рис.6 Пример возбуждения на ЭМИ на скальном грунте

то время как на скальных грунтах выделяются отдельные импульсы (Рис.6). Этс связано с различными механизмами возбуждения ЭМИ: на песчаных (практически насыпных поверхностных слоях) грунтах - с контактной электризацией и некоррелированными во времени включениями отдельных ис точников, на скальных грунтах - процессами трещинообразования. Однако в условиях скальной горной среды реальным остается регистрация ЭМИ от коллективно возбуждаемых источников лишь в локальных объемах, т.к. уровень нагружения различных зон разный. Амплитуда регистрируемых сигналов ЭМИ

лежала в интервале ю —3 - ю —1 нГ (ю~6 -10~4 а/м ). При этом для скальногс грунта морфология каждого импульса ЭМИ свидетельствует о разрушении в этот момент одной из локальных зон, т.е. морфология импульсов такая же, как и пру разрушении лабораторных образцов. По этим данным для скального грунта у частотного диапазона ^-5-15 Кгц) дипольный момент источников был равен и = 10 ~9-ю ~7 Кл * м , а средняя за период мощность излучения составила

« 40 *(10_П -Ю~ 15) Вт.

Это максимальная оценка мощности, т.к. в расчетах принималось минимально возможное расстояние при регистрации поля источников. Сравнивая эти данные с мощностью излучения магистральных трещин на лабораторных образцах видим различия, однако, границы интервалов для некоторых материалов пересекаются (магнетитовые руды на образцах и нефелиновые руды на скальных грунтах). Это означает, что наблюдения возбуждений поверхностных источников ЭМИ в полевых условиях отражают лабораторные оценки и лабораторные условия регистрации, прежде всего по предельному расстоянию контроля (<10 м.).

Были проведены также специальные исследования по регистрации источников ЭМИ в шахтных условиях. В отличие от состояния поверхностных слоев, в заглублённых условиях (500-800 м.) среда находится в высоконапряженном состоянии. Вариации уровня напряженного состояния среды приводят к активизации источников ЭМИ или ограничению их возбуждения. В шахтных условиях был

юдтвержден предельный уровень деформации, необходимой для возбуждения юточников ЭМП, полученный для скальных породах поверхностных слоёв.

Полученные впервые данные по предельным деформациям, необходимым для возбуждения источников ЭМИ, послужили основой для анализа возмож--юстей развития моделей электромагнитных предвестников. ГЛАВА V. АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИЙ МОДЕЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В УСЛОВИЯХ РЕАЛЬНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

В главе приведен анализ периодов деформационной активности в связи с сейсмическими и метеорологическими процессами. Благодаря исследованиям в России и Японии было показано, что для сейсмических и метеорологических факторов были выделены общие периоды деформационной активности, включая сезонную компоненту связи (12, б и 4 месяца). Для метеорологических факторов выделены более короткие периоды деформационной активности (1-3 недели). Длиннопериодные деформации метеорологического происхождения достигали величин 10 -5 _ 10 -6 , а короткопериодные (атмосферные осадки, скачки давления) - Ю-б-10~7 • Краткосрочные деформационные аномалии, предшествующие землетрясениям в интервале до 30 суток, достигали значений е я 10-7- На поверхностный слой Земли действуют также приливные деформации. В главе 4 были экспериментально определены предельные значения деформации

(¿•а 1о-6 -Ю-7), при превышении которых возможна активизация механоэлек-

трических процессов (трещин, контактная электризация). Следовательно в реальных условиях поверхностный слой земной коры за счет действия сейсмотектонических, метеорологических, приливных и других факторов испытывает непрерывную деформацию, уровень которой достаточен для процессов трещинообразова-ния и нарушения адгезионных связей. Эти процессы не зависят от природы дей-вующих сил. Как идентифицировать в каждый момент действующий фактор? Однако прежде необходимо выделить ЭМИ литосферных источников из фона естественного импульсного электромагнитного поля. С учетом кинетической теории были проведены расчеты количества литосферных источников ЭМИ (тре

щин) в зоне поверхностного контроля. Количество источников определяется дол

говечностью среды т под действием различных деформационных факторов • •

8'Т ~6р<тДе £' - скорость деформирован«, £ -деформация разрушения

Для горной среды £ - ю-^ "Ю-3- С учетом концентрационного критерия I

зоне контроля (радиус до 10 м.) наземной антенной могут быть зарегистрирован ны около 200 импульсов в час. Но ято составляет около 10% от уровня естествен ного импульсного электромагнитного поля. Если учесть, что морфология импуль сов ЭМП литосферного и атмосферного происхождения имеют общие черты, т идентификация ЭМИ поверхностных источников, связанных с сейсмотектониче скими процессами весьма затруднена.

Исходя из полученных данных крупномасштабного моделирования, можн сделать вывод, что регистрация литосферных источников ЭМИ в период прохох дения сейсмических волн возможна лишь в определенных границах от сейсмичб ского источника. Действительно, деформационные процессы от сейсмически волн в точке регистрации зависят от энергии источника, физико-механическк свойств в области источника, трассы распространения и пункта регистрации.

Используя значения предельных приведенных расстояний, для которь наблюдалось возбуждение источников ЭМИ при прохождении упругих волн ь скальных и песчаных грунтах, приведем эмпирические формулы предельнь расстояний регистрации ЭМИ в зависимости от магнитуды сейсмического собк тия (М >4):

К

Скальные грунты: (Ц] = 4 м/Дж'*). ^Я(юи) = 0.6М-1.0

к

Песчаные грунты: (¿77 = 10 м1Дж'Ь ). \2,Р.(км) = 0.бМ-0.7 .

Для магнитуды событий М = 4 -7 М, предельные расстояния возбуждения ЭМИ упругими волнами равны;

Скальные грунты: 25(М =4), 100(М =5), 400(М =6) и 1600(М = 7) км. . Песчаные грунты: 50(М -4), 200(М =5), В00(М =6) и 3200(М = 7) км.

жим образом, используя методику возбуждения ЭМИ сейсмическими волнами, 1-видимому, возможно следить за уровнем действующих в среде напряжений, цнако в тектонофизических исследованиях уровня напряжений целесообразно юводить измерения не на поверхности, а на глубинах больших нескольких сот этров. При этом необходимо выбирать для исследований зоны с меньшими знаниями упругих модулей.

С учетом концентрационного критерия была рассмотрена также возмож-зсть реализации модели крупномасштабных токовых источников в акте земле-1ясения. Рассчитаны линейные размеры зоны коррелированного включения еди-1ЧНЫХ источников

; 3000 м.). Показано, что в диапазоне частот 100-1000 Гц спектральная плотность ¡лучения токового источника может превысить фоновый уровень.

Проведены обсуждения альтернативных факторов действия на поверхно-"ный слой, которые могут привести к нарушению адгезионных связей и возбуж-энию ЭМИ многочисленных коррелированно включаемых источников. К этому актору относятся сейсмогравитационные пульсации поверхности Земли, возбу-цаемые непосредственно перед сильными землетрясениями. Идентификация 1гналов таких источников возможна по синхронности регистрации на разнесению пунктах. ЫВОДЫ:

Обобщены и проанализированы результаты полевых и лабораторных иссле-ований электромагнитных предвестников разрушения. Определены задачи ла-ораторного и крупномасштабного моделирования источников электромагнитных редвестников землетрясений.

, Разработана система регистрации пролетных зарядов с спользованием антенны Роговского при разрушении в лабораторных словиях горных материалов и кристаллов.

азработана методика восстановления формы и амплитуды токовых импульсов и асчетов величины переносимых зарядов, дипольного момента и мощности из учения трещин.

3. Получены абсолютные значения величин зарядов, переносимых вершиной трещины и лежащие в интервале (4_200)*10-7 ^ Мощность излучения еди-

ничныхтрещин составляет ^ - 2000 )*10 ~ 20

4. Показана связь между низкочастотной составляющей спектра акустической эмиссии и процессов перемещения зарядов дислокационной природы. Появление низкочастотной составляющей спектра (100 - 1000 Гц) в сигнале дислокационного тока указывает на некоррелированность включения единичных источников.

5. Определены критические предельные расстояния, связанные с уровнем предельных деформаций а Ю 6_10 ' )■ на которых возможно возбуждение ЭМИ от упругих волн взрывных и сейсмических источников. Показано, чтс спектры возбуждения ЭМИ поверхностных источников лежат преимущественно е диапазоне 6-18 Кгц. Оценена мощность ЭМИ для различных типов грунтов npt возбуждении источников МЭП упругими волнами.

6. На основе данных лабораторных и крупномасштабных полевых экспериментов проведена оценка реализации моделей поверхностных и токовых ис точников электромагнитных предвестников землетрясений. Показано, что ин тенсивность ЭМИ поверхностных слоев коры при сейсмотектонических де формациях лежит ниже уровня естественных помех, а поток излучения токовы: источников в акте землетрясения в диапазоне 10-1000 Гц может превысить уро вень фонового излучения.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации.

1. Характеристики источников электромагнитного излучения в массиве горных пород. В кн. Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород Новосибирск. 1988 г. с. 70-77. /соавторы Гуфельд И.Л., Никифорова H.H. и др./

2. Спектрально-временные характеристики электромагнитного излучения и токо1 в образце на стадии его разрушения. В кн. Напряженно-деформированное состоя ние массивов горных пород. Новосибирск. 1988 г. с. 94-98. /соавторы Гуфель, И.Л., Никифорова H.H. и др./

. Лабораторное моделирование протяженных токовых источников при разруше-ии горных пород. Электромагнитные зондирования. Тезисы докладов VII Всесоюзной школы-семинара по электромагнитным зондированиям. Звенигород, оябрь 1984 г. с.28. /соавторы Гуфельд И.Л., Никифорова Н.Н. и др./ . Модельные исследования источников электромагнитных излучений при де-юрмировании и разрушении горных пород. Ill Всесоюзный съезд по геомагнетиз-у. Тезисы докладов, с.72. /соавторы Гуфельд И.Л., Никифорова Н.Н. и др./ .Электромагнитное излучение горной среды в условиях взрывного нагружения. [АН СССР, 1987. Т.295. N 2. С.321-325. /соавторы Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., озырева О.В. и др./

. Модели сейсмических и сейсмоионосферных взаимодействий в процессах одготовки землетрясений. В сб.Поиск электромагнитных предвестников земле-рясений. Ред. М.Б. Гохберг. М. Наука, 1988. с 49- 97 с. /соавторы Гуфельд И.Л, 1имарев Е.Д, Липеровский В.А, Чебышев В.В./

. Исследование коллективного возбуждения МЭП в фазе разрушения при лабо-аторном моделировании. В сб. Поиск электромагнитных предвестников земле-рясений. Ред. М.Б. Гохберг М.Ж Наука, 1988. с 100 - 118 с. /соавторы Гуфельд 1.Л., Никифорова Н.Н., Рожной А.А. Соловьева М.С./

¡.Электромагнитное излучение горной среды в условиях взрывного нагружения. В б.Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. Ред. М.Б. Гохберг.М.Б 1аука, 1988. с 119 -134 с. /соавторы Гуфельд И.Л., Никифорова Н.Н. и др./ I. Исследование возбуждения токовых источников при разрушении образцов гор ibix пород. Экспериментальные и числовые методы в физики очага землетря-:ений. М. 1989. с 203 - 210 с. /соавторы Гуфельд И.Л., Никифорова Н.Н. и др./ 0. О восстановлении смещений по записям приборов с магнитной и цифровой >егистрацией и выборе уравнений системы. Автоматизация сбора и обработки ¡ейсмической информации. В сб. Сейсмические приборы N 21. М., 1990. с 91 - 96

/соавторы Грайзер В.М, Соловьева М.С./ И. VLF radio emission of lithosphere real conditions. Journal of Atmospheric Electricity. Vol. 16, No. 3, pp.237-246, 1996. /co-author I.L. Gufeld, G.A. Gusev/