Вивчення деформаційних процесів гірських порід в умовах їх природного залягання

Вивчення деформаційних процесів гірських порід в умовах їх природного залягання становить великий інтерес для фундаментальної науки при дослідженні геодинамічних процесів, сейсморайонуванні, розвідки та експлуатації родовищ корисних копалин. Важко оцінити, що важливіше в цьому напрямку: його фундаментальне значення або практичні додатки. До даної проблеми слід віднести і вивчення більш швидких зрушень поблизу поверхні Землі природного та антропогенного походження в зв'язку з прокладанням тунелів, експлуатації шахт, будівництвом трубопроводів, інженерних споруд, об'єктів підвищеної екологічної небезпеки (АЕС, хімічних виробництв та ін.) Особливе значення даний напрямок має для проблеми пошуку надійних методів своєчасного попередження про сейсмічної небезпеки та інших геодинамічних подій (обвали, гірські удари, зсуви).

Багато десятиліть велася розробка методів і апаратури прямих деформаційних вимірювань на геологічних об'єктах. Створені унікальні прилади, що дозволяють проводити вимірювання відносної деформації і нахилів поверхні. Сучасні космічні технології (GPS) дають можливість отримати дані про швидкості руху тектонічних плит і континентів.

Разом з тим до цього часу, деформаційні вимірювання, добре зарекомендували себе для окремих типів рухів, як випливає з досвіду довгострокових натурних спостережень, не дають належної результативності при дослідженні заключній стадії прогнозування землетрусів. Результати прямих вимірювань, які приймаються за основу при побудові фізичних механізмів підготовки сейсмічного удару, суперечливі, що дає підставу для справедливої ​​критики і сумнівів у результативності застосовуваних методів (Johnston, et al, 1994; 2002).

До теперішнього часу в науковій пресі ведеться жвава дискусія, чи існують подібні швидкі рухи в епіцентральной зоні або в зоні підготовки напередодні удару, що дають принципову можливість пошуку провісників і розробки методів короткострокового прогнозу землетрусів.

З 60- х років минулого століття виявлено явище виникнення електромагнітного випромінювання (ЕМВ) безпосередньо перед землетрусом і з тих пір проводяться всебічні дослідження цього типу геофізичного поля, як параметра непрямого моніторингу динаміки напружено - деформованого стану земної кори поблизу поверхні. Незважаючи на досить довгу історію розвитку даного методу його відносять до розряду нетрадиційних.

У практиці розробки та експлуатації гірничих виробок з успіхом використовується метод реєстрації акустичної емісії (АЕ). Безсумнівна логічний зв'язок явища акустичної та електромагнітної емісії при деформуванні гірських порід. Цей зв'язок обумовлена ​​різними механізмами дислокаційної природи, супутніми деформації будь-якого твердого тіла і гірських порід, зокрема. Дослідження геоакустіческой емісії мають більш тривалу історію і неодноразово робилися спроби застосування цього параметра для вивчення провісників землетрусів (Грішників 1976, Савич 1979, Виноградов 1989, Bogomolov et al., 2004). У нечисленних випадках це призводило до обнадійливих результатів.

Пояснення цьому можна знайти в аналізі ступеня зашумленності цих геофізичних полів при наземному і підземному розташуванні датчиків, ступеня загасання сигналу з відстанню, методології проведення вимірювань. Та обставина, що метод акустичної емісії отримав більшого поширення при підземному розташуванні датчиків, а ЕМІ при наземному розташуванні антен, свідчить про переважаючою ролі відносини сигнал / шум у тих і інших умовах.

У середині 60- х років чл. -кор. РАН А.А.Воробьевим (1970) була висловлена ​​гіпотеза про те, що процесу передувало крихкому руйнуванню супроводжує етап активного деформування в зоні вогнища, при якому мають місце граничні напруження і деформації, незмінно супроводжуються процесами електризації, в результаті яких може відбуватися пробій гірських порід. Це спонукало А.А. Воробйова використовувати термін «підземні грози». Їм же була розроблена методика вимірювань і проведені перші спостереження імпульсного ЕМІ в сейсмоактивних районах. Практика досліджень ЕМІ провісників за наступні десятиліття внесла суттєві корективи в початкові уявлення про природу сейсмоаномальних ЕМ збурень. Проте, метод отримав широке поширення, у тому числі і за кордоном, і довів високу інформативність.

До теперішнього часу електромагнітні методи дослідження заключного етапу підготовки землетрусу міцно зайняли лідируючі позиції в комплексі з іншими методами. Обговорення результатів вивчення електромагнітних явищ, супутніх процесу деформації земної кори в сукупності з космічними технологіями включені в тематику традиційних міжнародних симпозіумів і, більше того, ці питання, предмет спеціально створених робочих груп у IUGG, EGS, MEEMSV, MARELEK. Досить згадати, що з часу перших і одиничних публікацій у вітчизняній пресі, тобто з середини 60- х років, протягом останніх десятиліть їх кількість досягла багатьох сотень на рік, у тому числі і в провідних зарубіжних геофізичних журналах (JGR, Geoph. Res.Lett, Annali di Geophysica, J. App. Geoph, Tectonophysics, J. Atmosph. Electricity та ін.)

В даний час видано ряд монографій, узагальнюючих багаторічний досвід досліджень ЕМ явищ у навантажених гірських породах в умовах їх природного залягання (Гохберг та ін 1988; Gokhberg et al., 1995; Hayakawaetal., 1994). Вищесказане дозволяє зробити висновок про безсумнівну перспективність подальшого розвитку даного напрямку, запропонованого в Росії.

Одним з принципових питань, обговорюваних у цій роботі, є питання про причинно - наслідкових зв'язках спостережуваних сейсмоаномальних електромагнітних процесів з природою супутніх явищ (геомагнітних збурень, припливів). У цьому зв'язку методично важливим є питання про дослідження фону в електромагнітному полі, на рівні якого проводиться визначення специфічного сигналу, що належить досліджуваного деформаційному процесу.

Ці питання були предметом спеціальних досліджень у ряді дисертаційних робіт (Хусаміддінов 1981рік, Токтосопіев 1987рік; Здоров 2002 рік, та ін.) Однак, до теперішнього часу ці дослідження не виходили за рамки аналізу періодів запису за обмежений інтервал часу, включаючи порушення в добовому ході фону, грозову активність та ін

З розвитком технології проведення геофізичного експерименту і, в особливій мірі, з використанням сучасної обчислювальної техніки, радикально змінилися методи і принципи побудови апаратури, що дозволило перейти до більш глибокого аналізу структури самого електромагнітного сигналу. Це в свою чергу відкрило нові можливості виділення корисного сигналу за алгоритмами амплітудного і спектрально - часового аналізу, а безперервні режимні спостереження дозволили вивчити Долгоперіодниє варіації фону за багаторічний період. Однак до теперішнього часу питання вивчення просторово -часових характеристик спостережуваних ефектів залишаються маловивченими, головним чином через обмеженість мережі спостережних станцій.

Існування провісників, в даний час не викликає сумнівів. Це обставина сама по собі свідчить про зв'язок з деформаційними процесами в Землі. Однак це не вирішує основної суперечності про відсутність надійних експериментальних даних по кореляції реєстрованих аномалій в АЕ, що виникають перед землетрусами, з прямими спостереженнями за деформаціями в зоні підготовки землетрусу (Ейбі 1982рік).

Відсутність чітких відповідностей між непрямими свідченнями деформування зони підготовки і прямими вимірами деформацій знаходить якісне пояснення з позицій мозаїчності будови земної кори і розподілу напруженого стану середовища, але не зменшує ступеня важливості дослідження механізму таких зв'язків. Частково ці питання вирішуються методами лабораторного моделювання. Але в цьому випадку виникають не менш складні питання про критерії подібності процесу руйнування, що протікають в істотно відмінних просторових масштабах.

У цьому зв'язку звертає на себе увагу явище припливу, в якому об'ємні сили, постійно діючі на земну кору, викликають адекватні сторонньої силі деформації. З урахуванням широкого діапазону періодів варіацій в циклічному впливі гравітаційних сил на середу, в останній можуть мати місце процеси непружного деформування, в тій чи іншій мірі властиві будь-якому типу навантажування гірських порід.

У даній роботі робиться ще одна спроба виділення непружної складової деформаційного поля місячно- сонячного припливу за даними сейсмічності і безперервних вимірювань електромагнітного фону. Отримані в роботі результати знаходять згоду з моделлю опису заключній стадії підготовки землетрусу, безпосередньо попередньої удару з єдиних позицій на основі явища повзучості (Крип) навантажених гірських порід.

У даній роботі проводиться подальший аналіз провісників землетрусів зареєстрованих на полігоні к.ф.-м. наук А.Г. Здоровим. Ці передвісники аномалії виділені на основі наявних в даний час апаратурних засобів і з використанням накопичених знань про тлі ЕМ випромінювання в даній місцевості. Проведено вивчення добового фону сигналу, його сезонного ходу, а також техногенного шуму. На основі вивчення морфології електромагнітного шуму атмосфери проводиться виділення корисного сигналу. Потрібно відзначити, що корисний сигнал істотно різниться від всіх перешкод природного та техногенного походження. Його відмінні особливості ще насилу піддаються формалізації на сучасному етапі. Але при безперервному контролі за станом фону його неважко виділити з шуму. Це дало підставу подавати успішні наукові прогнози локальних землетрусів. У силу того, що ця частина роботи докладно описана в його дисертаційній роботі (Здоров 2002рік) ми не будемо зупинятися на ній докладно і наведемо основні висновки. Зокрема, ним встановлено, що передвісники варіації виникають від декількох десятків годин до кількох діб перед моментом сейсмічної події і проявляються у вигляді різкого (протягом десятків хвилин) збільшення швидкості рахунку імпульсів, що перевищує в десять і більше разів рівень фону. Аномальні варіації рідко мають квазіустойчивий вигляд, частіше вони проявляються у вигляді серії окремих сплесків, що чергуються з завмираннями. Фаза скидання характеризується таким же контрастним спадом, що і фаза наростання. Тривалість аномалій варіює від 7 до 50 годин, в середньому складаючи, з урахуванням довірчого інтервалу, 23 ± 15 години. В силу наявності різкої фази скидання аномального ЕМВ, в якості прогностичного параметра часу сейсмічної події, обраний інтервал часу від моменту остаточного скидання аномалії до рівня фону до моменту землетрусу. За набраними даними, тривалість цього інтервалу може змінюватися від 0 до 112 годин, але граничні випадки вкрай рідкісні. Середня тривалість тимчасового інтервалу між закінченням аномалії і моментом землетрусу становить 37 ± 16 годин, тобто саме з такою точністю можливо прогнозувати момент часу землетрусів.

При індивідуальності кожного з сейсмічних подій, що реєструються на різних видаленнях, глибинах і магнітудою, розрахунки, проведені в нормованих епіцентральним відстанях в рамках моделі релаксуючого крипу, дають можливість оцінити характерний час розвитку процесу повзучості, що передує удару, тим самим отримати важливий критерій контролю за процесом підготовки в реальному часі. Використання сучасних методів аналізу даних передбачає відповідний рівень розвитку методів вимірювань.

Актуальність роботи полягає у вивченні характерних особливостей передвісника на заключній стадії підготовки тектонічного землетрусу, визначення критеріїв побудови алгоритмів оперативного аналізу даних та побудови відповідних пристроїв, а також тригерного впливу приливних сил на процес підготовки землетрусу і необхідності розробки надійних способів контролю за непружними деформаціями верхніх шарів земної кори для моніторингу небезпеки внаслідок таких геодинамічних подій, як тектонічні зрушення, зсуви, гірські удари, землетрусу.

2.4 Електричні явища при терті

Контактна електризація обумовлена ​​контактною різницею потенціалів при зіткненні двох тіл з різною роботою і проявляється в умовах тертя навіть металевих тіл, так як в зазорі між тертими тілами через наявність між западинами мікровиступів шорстких поверхонь, плівок твердої або рідкої мастила з діелектричними властивостями утворюється своєрідний конденсатор.

Адсорбція на поверхні негативних іонів, що збільшує роботу виходу електричного, може стати причиною виникнення не тільки зффектом конденсатора, а й великих потенціалів значних термоелектричних струмів. Самостійне значення контактна електролізація має при терті металополімерних пар. У роботах встановлено, що в парах тертя «метал - полімер» залежно від сорту полімеру, властивостей виникають потенціальні від десятків до декількох тисяч вольт.

Величина змінного сигналу в цих парах коливається від десятків до сотень мілівольт. Виявилося, що величина і знак заряду полімеру (електричного поля, потенціалу) впливають на інтенсивність зношування. Наприклад, встановлено, що при подачі на пластмасу (матеріал гальмівних колодок) позитивного потенціалу від зовнішнього джерела знос контр- тіла в 2-3 рази вище, ніж при негативної полярності. Для обраних пар тертя (вал виготовлений з пластмасі, а гальмівна колодка - зі сталі) при замкнутому ланцюзі по ній протікає струм з направленням від підшипника до валу; розімкнення електричного ланцюга знижує знос підшипника. Для електропровідності пластмаси ФК - 24С струм від зовнішнього джерела може збільшувати і знижувати тертя.

Електрохімічні процеси проявляються при контакті металу з рідиною, куди переходять іони металу, при цьому металева поверхня набуває потенціал, який встановлює рівновагу між процесом виділення і осадження іонів. Якщо в розчині знаходиться контакт з двох металів, то по цьому ланцюгу буде текти електричний струм до тих пір, поки в розчині зберігаються іони металу і розчину.

Електричні струми цієї природи можуть протікати між різними ділянками негомогенной поверхні. Крім цього можлива електризація поверхні металу і рідини до десятків вольт, наприклад масла як мастила, при її русі. В описаний стрибок потенціалу на металі при наявності мастила, який пояснюється дією гальванічних пар і електрокінетичного явищами.

З електрохімічних позицій з'ясовні корозійно - механічний знос і феномен виборчого переносу (ІП).

При терті пари «бронза - сталь» в середовищі гліцерину в результаті електрохімічної дії поверхню мідного сплаву піддається виборчому розчиненню. Це відбувається внаслідок того, що всі елементи сплаву володіють значно більшою хімічною активністю в порівнянні з міддю і є анодами, про що свідчить величина стандартних електродних потенціалів компонентів, наприклад сплаву Бр. ОЦС -5 -5 -5. Виборче анодне розчинення компонентів і видалення їх з мастилом із зони тертя призводять до утворення найтоншого мідного покриття на поверхні бронзи. Потім іони міді осідають на катодних ділянках стали, утворюючи мідну плівку. Доказом електрохімічної природи виборчого переносу є встановлена ​​зв'язок між зносостійкістю металів і величиною Гальвані ЕДС, а також прояв ВП у корозійно- активних середовищах.

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Полищук Н.В., Панченко М.С., Панченко И.М. О возможности влияния атмосферного и земного злектричества на фильтрацию воды//Электронная обработка материалов. - 2007. - №1 (243).-С. 57-62.

2. Браун Д., МассетА. Недос­тупная Земля: пер. с англ.- М.: Мир, 1984.-262 с.

3. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород/Под ред. проф.

В.Н. Даханова. - М.: Гос. научн.-техн. изд-во неф. и горно-топлив. лит., 1962. -481 с.

4. Шепель С. И., Галайчук Н.И. Роль енергетики Земли в формировании аномалий злектропроводности в земной коре // Енергетика Землі, її геолого - екологічні прояви, науково-прак­тичне використання. - К.: ВПЦ «Київський університет», 2006. - С. 65-69.

5. Воробьев А.А. О возможности злектрических разрядов в недрах Земли //

Технология и геофизика. - 1970. - № 12. - С. 3-13.

6. Соболев Г.А., Демин В.М. Механоалектрические явлення в Земле.

- М.: Наука, 1980. - 215 с.

7. Іванов О.П., Рукін М.Д., Спірідонов Е.С. Техногенна діяль­ність і

природні катастрофи // Електрозбереження Поділ­ля. -2009,-№3.-С. 54-61.

8. Клименко А.И. Живая радиозлектроника. - М.: Знание, 1968.-128 с.

9. Злектрические растения // Вокругсвета, 1908.

10. Сологуб В. Атмосферна електрика – прояви і небезпека // Пожежна

безпека. - 2010. – №1 (124). – С. 26-28.

11. Сологуб В. Земна електрика. Вияви і небезпека / // Пожежна

безпека. – 2013. – № 1. – C. 34-35.

МАЛЮНКИ

Мал.1 Земна електрика

Мал.2 Атмосферна електрика

Мал.3 Електричне поле Землі.

\

Мал.4 Світова енергетика

Мал.5 Магнітні та електричні явища у природі.

Мал.6 Сили природи для вироблення енергії

Мал. 7 Полярне сяйво

Мал. 8 Вогні святого Ельма

Дата добавления: 2015-05-23