Отклики эмиссионных сигналов геосреды на воздействия электромагнитных полей и вибраций

• Автор: Богомолов, Леонид Михайлович
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 359 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Уменьшение последствий природных и природно-техногенных землетрясений - сложная научно-техническая и социальная проблема, приобретающая все большее значение в связи с возрастанием техногенной нагрузки на природный комплекс (расширением горнодобывающих и опасных производств, добычи нефти и газа, ростом плотности населения). До сих пор следствием возрастающего техногенного воздействия на земную кору было лишь ухудшение сейсмогеоэкологической обстановки, усложняющее и удорожающее добычу полезных ископаемых и другую деятельность в сейсмически активных районах. Эффекты наведенной сейсмичности проявились при закачке жидких промышленных отходов в скважины, расположенные в разломных зонах, при изменениях уровня воды в крупных водохранилищах и сопутствующих вибровозмущениях при водосбросах, при проведении подземных взрывов, при разработке полезных ископаемых (горно-тектонические удары) и т.п. Однако, как показано в работах российских ученых, при выполнении определенных условий контролируемое воздействие на геосреду может давать и позитивный результат: перераспределение сейсмичности в виде уменьшения количества относительно крупных землетрясений за счет увеличения числа слабых событий и высвобождаемой ими энергии. Было обращено внимание на принципиальную важность корреляций приростов микросейсмичности с проведением вибросейсмических зондирований при помощи мощных вибраторов, с ионосферными магнитными возмущениями, а также с электрозондированиями земной коры с использованием геофизических МГД - генераторов. При анализе примеров кратковременной активации сейсмичности отмечалось, что воздействия с помощью вибраций и электромагнитных полей (в силу их универсальности и экологичности) наиболее перспективны для исследований по проблеме разрядки избыточных напряжений в земной коре. Расчет был сделан на то, что релаксация напряжений может происходить вследствие ускорения высвобождения энергии при стимулированном приросте числа слабых событий (мощность же “накачки” энергии при тектоническом процессе считалась неизменной). Пример реализации такого сценария был продемонстрирован в известных работах Садовского М.А., Мирзоева K.M.и др., посвященных влиянию вибраций от водосброса на плотине Нурекской ГЭС, Таджикистан на режим выделения сейсмической энергии.
Случай воздействий на геосреду электромагнитных импульсов, генерируемых при пусках геофизических МГД - генераторов, анализировался в работах Тарасова Н.Т. с соавторами из ИФЗ РАН и ОИВТ РАН. В этом случае обнаруженный после проведения электрозондирований прирост сейсмичности на территории Гармского и Бишкекского полигонов также происходил за счет увеличения количества слабых событий. В недавних работах группы авторов из Научной станции РАН в г. Бишкеке (НС РАН) получен аналогичный по смыслу результат, суть которого - триггерное влияние на локальную сейсмичность электромагнитных импульсов обычного конденсаторно-тиристорного источника зондирований земной коры, применяемого в настоящее время вместо МГД-генераторов. По данным этих работ кратковременный прирост сейсмической активности, коррелирующий с периодами проведения на Бишкекском полигоне сеансов

электрозондирований в экспериментальном режиме, не сопровождался статистически значимьм уменьшением числа умеренных по энергии событий с классами К= 11- 13. Отличие результатов в этом аспекте от случая вибровоздействий связано, по-видимому, с недостаточной длительностью периода наблюдений, и, как следствие, небольшим числом событий. Но оно может отражать обстоятельство, что лишь при некоторых условиях (или некоторых стадиях сейсмического процесса) инициированный извне прирост слабой сейсмичности дает уменьшение количества более сильных событий, т.е. разрядку избыточных напряжений. Альтернативой сценарию энергетического “размена” сильных событий на большее число слабых может быть избирательная активация событий в некотором диапазоне классов, или прирост во всех представительных классах, соответствующий сохранению самоподобия (неизменности наклона графика повторяемости землетрясений). С учетом изложенного и того, что механизм триггерного воздействия электромагнитных импульсов и вибраций еще не выяснен полностью, представляет несомненный интерес продолжение исследований реакции среды на импульсные воздействия физических полей (так называемые энерговоздействия, ЭВ). С практической стороны, интерес к этим вопросам определяется их взаимосвязью с развитием технологий активного сейсмического мониторинга, основанного на изучении откликов геосреды на тестовые воздействия вибраций или электромагнитных импульсов с применением мощных источников, т.е. с разработкой новых подходов к прогнозированию землетрясений.
Существенный вклад в исследования реакции среды на энерговоздействия вносит физическое моделирование на образцах. В модельных экспериментах по триггерным воздействиям физических полей на процесс разрушения основной составляющей является регистрация акустической эмиссии (АЭ), отражающей и сопровождающей структурные изменения в образцах горных пород и других гетерогенных материалах. В экспериментах, проведенных в нескольких лабораториях (ИФЗ РАН, ОИВТ РАН, НС РАН) была убедительно продемонстрирована высокая чувствительность акустической эмиссии к воздействию вибраций либо электромагнитных импульсов. Эффект отклика АЭ на воздействие таких нестационарных факторов установлен для образцов с самыми разными физико-химическими свойствами. С позиций того, что до некоторого предела материалы образцов обладают способностью к релаксации (т.е. могут приспосабливаться к действующему напряжению), внешняя стимуляция дефектообразования, проявляющаяся как прирост АЭ, является благоприятным фактором (темп релаксации возрастает). Качественное сходство откликов на импульсные воздействия активности АЭ и вариаций сейсмичности констатировалось в ряде работ. Соответствие результатов лабораторного моделирования ЭВ с натурными наблюдениями естественно было бы рассматривать как свидетельство, пусть косвенное, возможности управления сейсмическим процессом при помощи физических полей. Однако в экспериментальных исследованиях на образцах упор был сделан, прежде всего, на обнаружении откликов акустической эмиссии (трещинообразования) на модельные энерговоздействия. Вопрос о том, наблюдается ли при стимулировании АЭ вибрациями или электромагнитными импульсами не просто прирост количества событий, а именно отклик с перераспределением амплитуды и

энергии сигналов АЭ (т.е. прообраз размена сильного землетрясения на серию слабых) исследован пока недостаточно. Таким образом, актуально проведение обобщающего
исследования откликов геосреды на воздействия электромагнитных импульсов и
вибраций, охватывающего натурные проявления чувствительности геосреды к
энерговоздействиям, акустоэмиссионные эффекты при воздействии физических полей на нагруженные образцы горных пород и разработку физических моделей, адаптированных для описания импульсных воздействий. Основой для такого исследования, проводимого в рамках данной диссертационной работы, являются результаты, полученные автором в течение 1996-2011 гг.
Цель работы - установить фундаментальность эффекта сейсмо- и
акустоэмиссионного отклика материалов геосреды на действие вибраций и импульсных электромагнитных полей. Обобщить результаты о свойствах этих эффектов, проявляющихся сходным образом на различных структурно-масштабных уровнях и определяющих возможность использования энерговоздействий для активного мониторинга и управляемого влияния на процесс разрушения геосреды.
Основные задачи работы, выполняемые для достижения цели:
- Аналитический обзор существующих представлений о механизмах влияния электромагнитных импульсов и вибраций на неупругое деформирование геоматериалов на различных структурно-масштабных уровнях. Развитие на этой основе методики натурных и лабораторных исследований эмиссионных эффектов при воздействии на геосреду нестационарных физических полей.
- Анализ и обобщение сейсмологических данных о взаимосвязи вариаций сейсмичности на территории Бишкекского полигона (Северный Тянь-Шань). Сопоставление явлений наведенной сейсмичности при воздействии естественных факторов и техногенных полей. Выявление закономерностей сейсмических откликов на энерговоздействия.
- Выполнение комплекса лабораторных экспериментов для исследования влияния вибро- и электромагнитных воздействий на процесс разрушения нагруженных образцов горных пород.
- Сравнение эмиссионных откликов на натурном и лабораторном масштабе. Интерпретация и обобщение результатов о стимулирующем влиянии электромагнитных импульсов и вибраций на микросейсмичность и трещинообразование в образцах (АЭ).
- Разработка физических моделей взаимодействия геосреды с динамическими нагрузками (вибрациями и электромагнитными импульсами), описывающих возникновение эмиссионных откликов и возможность релаксации напряженного состояния среды.
Исходным материалом диссертационной работы являются данные о сейсмичности Северного Тянь-Шаня, полученные при помощи сейсмической телеметрической сети ЮЧЕТ, материалы электромагнитного мониторинга, проводимого в НС РАН, а также данные геоакустических измерений. Объектом исследования является также банк данных по акустической эмиссии образцов горных пород и искусственных гетерогенных материалов, испытанных на ползучесть при ступенчатом сжатии и дополнительном
из работы [Науменко, 1979]. Для землетрясений с М ~ 5,5, произошедших в Западном Средиземноморье и на территории Турции, Крита и Кипра и оказывающих лишь слабое влияние (по-видимому, соответствующее порогу воздействия) на расстояниях ~ 500- 600 км; фактор А/Т примерно равен 5-6 мкм/с, что гораздо ближе к характерной величине (А/Т) ~ 1 мкм/с, найденной для других видов воздействий в
вышерассмотренных случаях.
Наиболее важным итогом исследований влияния удаленных землетрясений является то, что было продемонстрировано инициирование сейсмичности динамическими, а не статическими факторами. Возмущения от удаленного землетрясения весьма слабые (из-за расходимости фронта и поглощения энергии сейсмоволн), но они инициируют кратковременный прирост сейсмической активности. Такого рода триггерное влияние является одной из составляющих сейсмического процесса в регионах, соседствующих с еще более сейсмоактивными регионами. При этом техногенные возмущения (вибрации и другие физические поля) представляют собой добавки, отклики на которые могут выделяться либо не выделяться на фоне реакции среды на действия естественных триггеров. Кроме удаленных землетрясений к последним, несомненно, относятся лунно-солнечные приливы в земной коре.
1.4.6. Деформации при лунно-солнечных приливах - традиционный объект исследований триггерной сейсмичности.
Среди факторов, имеющих отношение к проблеме наведенной и триггерной сейсмичности, приливные деформации выделяются уже тем, что их исследование имеет наиболее длинную (почти двухсотлетнюю) историю [Авсюк, 1996]. В простейшей модели источник приливных деформаций описывается как возмущение гравитационного потенциала (ускорения свободного падения, 5g) из-за влияния сил притяжения Луны и Солнца и вращения Земли. Так как Луна и Солнце изменяют свое взаимное расположение, в их приливном воздействии на вращающуюся Землю проявляются эффекты интерференции. Амплитуда деформаций максимальна у поверхности и уменьшается в глубь Земли. Зависимость амплитуды от географической широты - монотонная, с минимумом у полюсов и максимумом на экваторе [Николаев, 1994, 1994а]. Приливные деформационные волны распространяются вдоль поверхности Земли с востока на запад. Временные зависимости возмущений 5g представляют собой суперпозицию большого числа гармоник, однако основная периодичность изменения напряженного состояния близка к половине суток, а 80% амплитуды приливного сигнала определено четырьмя гармониками, периоды которых соизмеримы с полусутками или сутками [Авсюк и др., 2002]. Согласно оценкам [Стейси, 1972], за полусуточный цикл напряжение, вызванное приливной волной, меняется на ~ 510'1 Па/цикл (на экваторе). Во многих работах, например [Lockner and Beeler, 1999; Heaton, 1975; Knopoff, 1964], с этими возмущениями напряжения связывались представления о триггере как о последней порции, или «последней капле» после добавления которой процесс в очаге