Введение к работе
** '
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-
ГїїлцїїоШйшшГ БИБЛИОТЕКА ОЭ 2Сі)#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
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 А.А. Авагимову за инициативу в постановке задач, за советы, служившие ориентирами в выполнении данной работы. Автор благодарен коллегам - соавторам ряда публикаций: Адигамову Н.С., Аладьеву А.В., Богомолову Л.М., Боровскому Б.В., Ильичёву П.В., Сычеву В.Н., Манжикову Б.Ц.
