Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные представления о подготовке и возникновении землетрясений 8
1.1. Существующие макроскопические модели землетрясений. Триггерные эффекты в различных моделях 8
1.2. Разрушение геоматериалов - физическая основа моделей сейсмического процесса 23
1.3. О блочно - иерархическом строении геологической среды. Роль локализации деформаций и самоподобия структуры геоматериалов 35
Выводы по главе 1 40
Глава 2. Наведенная сейсмичность как проявление влияния естественных и техногенных факторов на деструкцию земной коры 41
2.1. Влияние естественных нестационарных процессов на сейсмичность 41
2.2. Инициирование сейсмичности техногенными воздействиями 44
2.3. Особенности электромагнитного влияния на слабую сейсмичность 63
2.4. Верификация эффекта прироста слабой сейсмичности при пусках МГД -генераторов с привлечением новых данных 78
Выводы по главе 2 92
Глава 3. Проявления эффектов импульсных электромагнитных полей в вариациях слабой сейсмичности Северного Тянь-Шаня 93
3.1. Геолого-тектоническое строение Северного Тянь-Шаня 93
3.2. Источник и методика макетных энерговоздействий на геологическую среду 102
3.3. Исследование региональной сейсмичности Северного Тянь-Шаня с использованием данных цифровой сейсмической сети KNET 115
3.4. Анализ вариаций слабой сейсмичности в период дополнительных зондирований коры однополярными токовыми импульсами (по данным KNET) 134
Выводы по главе 3 161
Глава 4. Взаимосвязь сейсмических вариаций при электрозондированиях и других аспектов сейсмичности Северного Тянь-Шаня. Обсуждение результатов 162
4.1. Особенности сейсмического режима на территории БГП в период дополнительных зондирований коры однополярными токовыми импульсами 162
4.2. Физическое моделирование воздействия электромагнитных полей на геосреду 172
4.3. Феноменологическая модель сейсмических и эмиссионных откликов среды на внешние воздействия 179
Выводы по главе 4 185
Заключение 186
Литература
- Разрушение геоматериалов - физическая основа моделей сейсмического процесса
- Инициирование сейсмичности техногенными воздействиями
- Источник и методика макетных энерговоздействий на геологическую среду
- Физическое моделирование воздействия электромагнитных полей на геосреду
Введение к работе
Проблема сейсмичности, наведенной естественными и техногенными воздействиями, приобретает все большее значение в связи с возрастанием техногенной нагрузки на природный комплекс. 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. Однако 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. В результате стимулированного высвобождения энергии при неизменной скорости деформирования (определяемой инерционными глобальными факторами, такими как столкновение тектонических плит, или движение мантийного вещества) ожидается снижение неоднородности (разрядка) напряжений в геофизической среде.
Проведенные в конце XX - начале XXI столетий исследования показали, что существенное влияние на сейсмический режим могут оказывать и низкоамплитудные кратковременные возмущения физических полей (так называемые энерговоздействия, ЭВ). Важно отметить, что подобные исследование можно рассматривать как часть общей проблемы влияния факторов окружающей среды (физических полей) на процесс деструкции материалов в земной коре. В частности, в работах Тарасова Н.Т. с соавторами из ИФЗ РАН и ОИВТ РАН был обнаружен прирост слабой сейсмичности на территории Гармского и Бишкекского полигонов после электромагнитных зондирований земной коры с применением геофизических МГД-генераторов. Дискуссии об условиях, когда может быть реализовано "электромагнитное влияние на сейсмический процесс", и механизмах этого явления продолжаются до настоящего времени. Интерес к этим вопросам определяется их взаимосвязью с развитием технологий активного сейсмического мониторинга, основанного на изучении откликов геосреды на тестовые энерговоздействия с применением мощных источников, а также с проблемой разрядки избыточных напряжений в геосреде (РИНГ) для уменьшения опасности катастрофического землетрясения. Однако развитие данного направления задержалось из-за прекращения работ с геофизическими МГД - генераторами в конце 80-х, осталась не полностью выясненной природа электроимпульсного воздействия на ход деструкции материала земной коры.
В лабораторных экспериментах влияние импульсных электрических полей на трещинообразование в образцах горных пород было выявлено по измерениям акустической эмиссии (АЭ). Эффект электростимулирования АЭ нагруженных образцов отмечался при воздействии импульсов с амплитудой напряженности больше или порядка 500 В/м, а в натурном масштабе при пусках геофизических МГД генераторов в земной коре возбуждались
поля значительно меньшей напряженности. В связи с изложенным, несомненно актуальным является дальнейший анализ особенностей вариаций сейсмичности Северного Тянь-Шаня, свидетельствующих о наличии либо отсутствии корреляций с ЭВ, а также сопоставление результатов натурных и лабораторных (АЭ) измерений.
Проведение на Бишкекском геодинамическом полигоне (БГП, Северный Тянь-Шань, Киргизстан) электромагнитного мониторинга земной коры с применением электроразведочного генераторного устройства ЭРГУ-600 (мощного источника, заменившего МГД-генераторы), сделало возможным продолжить исследования влияния электромагнитных импульсов на сейсмический процесс. В экспериментальных режимах включения ЭРГУ-600 в период 2000-2005 гг. энерговклад в земную кору был сопоставим с энергией слабого землетрясения
(~10 Дж) и превышал энерговклад при "МГД" зондированиях. При этом временная зависимость (профиль) электроимпульсов была аналогична однополярным импульсам при пусках МГД — генераторов. Эксперимент предусматривал проведение серии дополнительных зондирований однополярными импульсами тока при продолжающихся "двуполярных" зондированиях геофизической коры на территории БГП для мониторинга ее электросопротивления по методу ЗСД. При этом возрастал перенос заряда, что (в силу электрокинетических эффектов) должно было отразиться на движении воды по трещинам в зоне ближайшего регионального разлома, и, предположительно, на подвижках и ходе высвобождения сейсмической энергии в некоторой зоне, окружающей источник зондирований - первичный диполь.
Обработка и интерпретация сейсмических данных в период экспериментальных зондирований (2000-2005 гг.), в целом, подтвердили возможность влияния однополярных электрических импульсов на режим слабой сейсмичности на территории БГП. В диссертационной работе изложены и обобщены результаты исследований автора по проявлениям эффекта электромагнитных импульсов в вариациях пространственно-временных распределений слабой сейсмичности, особенностям этого эффекта и перспективам его использования в концепции РИНГ.
Цель работы. Выявить вариации параметров потока сейсмических событий на территории Бишкекского геодинамического полигона, отражающих наличие либо отсутствие влияния мощных электрических импульсов на процесс неупругого деформирования и разрушения геофизической среды.
Основные задачи исследования.
анализ важнейших работ по проблеме наведенной' сейсмичности для оценки степени изученности вопроса о влиянии электромагнитных импульсов на режим выделения сейсмической энергии;
обработка, систематизация и обобщение сейсмологических материалов по вариациям сейсмичности на территории Северного Тянь-Шаня с применением вновь разработанных алгоритмов и программных продуктов.
сравнение полученных результатов с данными о влиянии импульсов тока при пусках геофизических МГД-генераторов;
сравнение с результатами лабораторного моделирования эффектов электромагнитных импульсов; проведение, при необходимости, уточняющих экспериментов на образцах горных пород для сравнения;
анализ возможных механизмов преобразования энергии электрического поля в упругие волны и влияния на пластическое деформирование и хрупкое разрушение.
Объект и метод исследования. Объектами исследования являются данные (каталоги), полученные при помощи сейсмологической телеметрической сети KNET, материалы электромагнитного мониторинга, проводимого НС РАН, а также акустоэмиссионные данные, полученные в экспериментах на образцах. Методы исследования - статистический анализ сейсмологических данных KNET и данных лабораторного моделирования с использованием стандартных и специально разработанных программ.
Защищаемые положения
По данным сети KNET определено наличие краткопериодных вариаций слабой сейсмичности Северного Тянь-Шаня, свидетельствующих о влиянии зондирующих токовых импульсов ЭРГУ-600-2. Наиболее чувствительными к инициирующему влиянию однополярных электроимпульсов являются вариации потока событий с энергетическими классами 7,5-9,5.
Отклик на дополнительное внешнее воздействие в виде кратковременного прироста суточного числа слабых землетрясений наступает с задержкой в несколько (от 5 до 8) суток. Активация происходит, в основном, за счет событий, гипоцентры которых находятся на глубинах 5-15 км и попадают внутрь площади ближайших к источнику зон с повышенной естественной сейсмичностью.
Стимулирующее воздействие однополярных импульсов ЭРГУ-600-2 и МГД- генераторов с длительностью от 9 с наиболее эффективно по сравнению с импульсами меньшей длительности и двуполярными импульсами, применяемыми для мониторинга кажущегося сопротивления.
Вариации слабой сейсмичности после воздействий электромагнитных импульсов качественно схожи с активностью акустической эмиссии нагруженных образцов горных пород при модельных электровоздействиях.
Научная новизна
Показано, что по откликам слабой сейсмичности воздействие однополярных электромагнитных импульсов выделяется как среди случайных факторов (грозовые разряды, магнитные бури, удаленные землетрясения), так и на фоне регулярно повторяющихся электрозондирований земной коры двуполярными импульсами.
Отмечено, что после зондирований в экспериментальном режиме увеличивается количество событий с гипоцентрами, расположенными непосредственно вблизи первичного диполя (источника энерговоздействия). Показано, что в период экспериментальных зондирований 2000 -2005 гг. положение зоны кластеризации событий классов 7,5-9,5 сместилось в сторону в зону расположения первичного диполя, а активация в ближней зоне начинается раньше, чем на всей изучаемой территории в целом. Тем самым проявляется принцип близкодействия применительно к откликам на ЭВ. Обнаружено, что время задержки активации (отклика на ЭВ) событий низших энергетических классов (К=7,5 - 8,5) меньше, чем для событий с большими энергиями (К= 8,5 - 9,5).
Показано, что отдельные отклики слабой сейсмичности не сопровождаются изменением параметров, характеризующих макросостояние среды: деформации Беньоффа и параметра плотности сейсмогенных разрывов, Кср. Вместе с тем, отмечены изменения трендов этих параметров в период проведения экспериментальных зондирований, что может отражать кумулятивный эффект определенного изменения состояния среды после серии энерговоздействий.
Обнаружены проявления синхронизации в следовании сейсмических событий и периодичностью воздействия электроимпульсов, применяемых для мониторинга кажущегося сопротивления на территории БГП.
Сравнение натурных данных и результатов экспериментов на образцах подтвердило, что и однополярные, и двуполярные электроимпульсы способны оказывать влияние на ход усталостного разрушения, но электрочувствительность геоматериалов к однополярным импульсам существенно выше, чем к двуполярным.
Практическая значимость.
Результаты исследований откликов слабой сейсмичности на электромагнитные импульсы имеют значение для развития методов активного сейсмоэлектрического мониторинга среды с применением уже освоенных мощных источников. Развернутые исследование реакции геосреды на тестовые электроимпульсные воздействия (активный мониторинг), может дать важную информацию для разработки новых подходов к предсказанию землетрясений.
В работе указан важный для практики пример (активация исключительно слабых событий, К<9,5), демонстрирующий, что действие техногенных факторов (физических полей) вовсе не
5 ,
всегда негативно для геоэкологической обстановки в сейсмоопасных регионах. Некоторые полученные результаты могут использоваться как элементы, составляющие основу концепции управляемой разрядки избыточных напряжений в земной коре. Они могут быть полезны при проектировании более мощных генераторных электроимпульсных установок.
Достоверность результатов обеспечивается значительным объемом накопленных данных, тщательной подготовкой и тестированием программ обработки материалов, применением нескольких способов анализа данных, соответствием полученных результатов с другими результатами по теме исследования.
Апробация работы.
Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, были представлены на ряде международных и всероссийских конференциях и совещаниях, в том числе: на втором Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», Бишкек 2002г., на пятом Казахстанско-Китайском симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии», Алма-Ата, 2003г., на Международной конференции Кыргызско-Российского Славянского университета «Образовательные процессы в конце 20 - начале 21 века», Бишкек, 2003г., на Международной конференции «Электроника и компьютерные науки в Кыргызстане», Бишкек, 2004г., на третьем Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке», Бишкек, 2005г.; на Седьмых геофизических чтениях имени В.В. Федынского "Геофизика XXI столетия: 2005 год", Москва, 2006г.; на 4-ой Международной конференции "Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений", с. Паратунка, Камчатка, 2007г.; на Международной конференции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли", Новосибирск, 2007г.; на семинаре "Актуальные проблемы физики и механики нано- и мезоскопических систем", Пермь, 2007г.; на 4-ом Международном симпозиуме «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы», Бишкек, 2008г.
Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях в рецензируемых журналах и 13 публикациях в периодических научных сборниках и материалах научных мероприятий.
Личный вклад автора.
Диссертантом усовершенствованы алгоритмы и программы обработки сейсмических и акустоэмиссионных данных, что позволило обеспечить необходимое качество материала по теме исследования. Автором непосредственно выполнены расчеты сейсмической активности, корреляционный анализ, построение графиков и диаграмм. Автором также проведено сравнение результатов натурного и лабораторного экспериментов, обработки сейсмологических данных, материалов лабораторного моделирования.
Автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя разделов в выполнении следующих проектов: "Разработка основ технологий искусственной разрядки тектонических напряжений в геологической среде для снижения сейсмической опасности", Минпромнауки РФ, Госконтракт №43044112646, 2002-2004, "Исследование приливных деформационных волн и виброэффектов в нагруженных геоматериалах", по гранту CRDF YG1-2326- ВІ-02; " Оптимизация научной интрасети и развитие сетевых приложений для анализа пространственно-временных геоданных Тянь-Шаня и прилегающих территорий (как возможного GRID -полигона)", по Программе 15 Фундаментальных исследований Президиума РАН. Результаты, полученные диссертантом в рамках этих проектов, также вошли в диссертационную работу.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы и содержит 210 страниц машинописного текста, включая 111 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 375 библиографических наименований.
Благодарности.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность и признательность директору НС РАН В.А. Зейгарнику и исполнительному директору Г.Г. Щелочкову за поддержку в проведении исследований, а также научному руководителю Богомолову Л.М и коллегам — соавторам основных публикаций за помощь работе, и советы, служившие ориентирами в выполнении данной работы. Особая благодарность Братину В.Д. и сотрудникам лаборатории ЛКИ за предоставление данных по проводимому эксперименту и за возможность использования сейсмологических данных, а также Кузикову СИ. за консультации по структурно-геологическим вопросам. Автор признателен Авагимову А..А., Боровскому Б.В., Сычевой Н.А., Манжикову Б.Ц., Новикову В.А., Тарасову Н.Т. и др. за обсуждение затронутых в работе вопросов.
Разрушение геоматериалов - физическая основа моделей сейсмического процесса
Материалы земной коры (горные породы) представляют собой чрезвычайно сложный природный объект, характеризующийся многообразием свойств на разных масштабных уровнях. Для количественного описания и прогнозирования его поведения необходима упрощенная модель, в качестве которой обычно принимается модель сплошной среды, возникающая в результате гомогенизации реальной среды.
В модели сплошной среды деформирование тел связывается с действующими в них напряжениями. Последние в безмоментных средах описываются симметричным тензором напряжений Gjj. В материальном элементе тензор cJjj каждой площадке с единичной нормалью поставит в линейное соответствие силовой вектор t, связанный линейной зависимостью с тензором напряжения. Этот вектор удобно раскладывать на нормальную tn и касательную tj составляющие напряжения по отношению к площадке.
Существуют модели горных пород с определяющими соотношениями как зависящими, так и не зависящими от времени. Модели первого типа обычно принимаются при рассмотрении процессов на длительных (геологических) масштабах времени. Для сравнительно, кратковременных процессов на первое место выступают свойства пород, не зависящие от времени.
Реологические соотношения как форма связи текущих напряжений и истории деформирования не несут непосредственной информации о достижении горной породой критического состояния и о последующем возникновении в ней систем нарушений. Для определения момента разрушения в анализ необходимо ввести некоторое дополнительное условие (или условия), в качестве которого выступает либо критерий разрушения, либо критерий неустойчивости. Критерии разрушения удобно разделить на глобальные и локальные. Глобальный критерий относится к системе, т.е. ко всему массиву с действующими на него нагрузками. Локальный критерий относится к элементу горной породы или к малой подобласти массива. На использовании того или иного критерия разрушения основывается теория разрушения (или теория предельного состояния среды). Феноменологические теории разрушения можно разделить на три типа: континуального разрушения, хрупкого разрушения и теории прочности.
Основы теорий континуального разрушения (или, теорий повреждаемости, теорий накопления повреждений) сформулированы в работах [Качанов, 1958; Ильюшин, 1967; Вакуленко и Качанов, 1971; Работнов, 1979; Радаев, 1999]. В настоящее время эти теории интенсивно развиваются. Многие важные результаты и обширная библиография содержатся в монографиях [Качанов, 1974; Никифоровский и Шемякин, 1979; Кондауров и Никитин, 1990]. Теории континуального разрушения основаны на представлении о наличии в материале рассеянных дефектов — малых по размеру и встречающихся во множестве в единице объема. Такими дефектами могут быть межзеренные повреждения, микропоры, микротрещины и т.д. Дефекты создают большие местные напряжения, взаимодействуют между собой, вносят вклад в деформирование породы [Онами и др., 1987; Миндлин, 1964, 1964а]. Теории континуального разрушения феноменологически описывают эволюцию этих повреждений в процессе нагружения тела.
Теории хрупкого разрушения (механика трещин), основы которых были заложены в классической работе [Griffith, 1920], предполагают заданной первоначальную геометрию дефектов — макротрещин. Механика трещин использует глобальный критерий разрушения (критерий Гриффитса), согласно которому макротрещина может развиваться только тогда, когда приращение ее поверхностной энергии компенсируется освобождаемой из объема массива и поступающей в ее край упругой энергией. Если приток упругой энергии превышает приращение эффективной поверхностной энергии, то трещина развивается неустойчиво (динамически). Для трещины в упругой среде: критерий Гриффитса эквивалентен локальному критерию разрушения Ирвина, а именно: трещина растет, если коэффициент интенсивности напряжений (т.е. коэффициент при асимптотически сингулярном члене разложения поля напряжений у края трещины) достигает своего критического значения. Теории хрупкого разрушения весьма популярны в работах по механике очага тектонического землетрясения (см., например, [Костров, 1975; Райе, 1982]).
Теории прочности представляют собой приложение локального критерия по предельным напряжениям или деформациям к текущему состоянию системы (элемента). Богатая история вопроса и обширная библиография приведены во многих руководствах (см., например, [Качанов, 1974; Поль, 1975]). Применение теорий прочности обычно не связано с реологическими уравнениями состояния горной породы, которые играют роль лишь при определении напряженно-деформированного состояния, исследуемого на прочность. Так, для статически определимых массивов анализ по предельным напряжениям можно проводить и в предположении абсолютной жесткости горной породы. Элемент среды, для которого выполнился локальный критерий, считается разрушившимся. Описание дальнейшего поведения такового элемента при продолжающемся нагружении горной породы в рамках теорий прочности отсутствует.
Локальные критерии прочности по предельным напряжениям, предлагавшиеся для конструкционных материалов (в частности, металлов и сплавов), плохо приспособлены для описания прочности горных пород. Эти породы, в частности, различным образом сопротивляются сжатшо и растяжению — прочность на сжатие выше прочности на растяжение.
Последнее обстоятельство можно учесть, если принять, что модуль касательного напряжения тп на площадке разрушения зависит от величины нормального давления tn на той же площадке. В частном случае можно предположить, что максимальное касательное напряжение Тп на площадке разрушения определяется суммой сцепления xs (когезионной прочности) и напряжения трения \xs an (fis — постоянная материала, называемая коэффициентом внутреннего трения).
Инициирование сейсмичности техногенными воздействиями
В связи с широкой распространенностью и разнообразием масштабов эффектов техногенной сейсмичности, для ее описания зачастую используется различающаяся терминология: "вызванные", "наведенные", "генерированные", "индуцированные", "возбужденные", "плотинные" землетрясения и др. В ряде случаев говорят о "спусковом механизме", "спусковом крючке" или о "триггерном эффекте". Иногда техногенную сейсмичность называют "искусственными землетрясениями "[Никонов, 1980]. Для унификации терминов удобно использовать классификацию монографии [Адушкин и Турунтаев, 2005]. На основе этой классификации, сейсмические вариации, связанные с техногенными воздействиями, ниже будем разделять на следующие типы явлений (рис.2.1). В широком смысле наведенной сейсмичностью было принято называть все сейсмические явления, возникающие в породном массиве по различным причинам в процессе техногенного воздействия или после него [Николаев, 1994]. Для однозначности классификации представляется более целесообразным несколько сузить круг явлений, характеризуемых этим термином. Естественно выделить сейсмические колебания, возникающие непосредственно во время техногенного воздействия. В соответствии с классификацией [Адушкин и Турунтаев, 2005] их можно называть первичной сейсмичностью.
Поясним содержание терминов, т.е. принцип классификации на рис.2.1. Источником первичной сейсмичности являются сами техногенные воздействия, такие как взрывные работы в рудниках, на карьерах, в процессе строительства, при перфорировании скважин и сейсморазведке, ядерные или химические взрывы, запуски ракет, всевозможные удары по поверхности земли, например, от падения космических тел, обрушения зданий или конструкций, от работы специальных вибраторов или вибрационных источников: транспортные магистрали, заводские штампы и т.п. Наиболее отчетливо первичная сейсмичность присутствует при выполнении любых работ с применением взрывных технологий в виде цуга сейсмических волн, продолжительность которого определяется условиями взрывания, а амплитуда колебаний - энергией взрыва и расстоянием от места работ.
Наведенная сейсмичность является следствием различных воздействий человека на земную кору, либо динамического характера, либо медленно развивающегося воздействия, либо длительного статического нагружения, либо в результате накопления слабых периодических деформаций. Основная отличительная особенность наведенной сейсмичности состоит в том, что источником её появления служат собственные запасы упругой энергии в среде, или энергия, переданная среде в процессе воздействия. Условия высвобождения энергии структурами земной коры при техногенных воздействиях зависят от геолого-тектонических характеристик конкретного массива и включающего его региона в целом.
Индуцированная сейсмичность, которую также называют возбужденной, или вынужденной [Николаев, 1994], - это реакция среды на техногенные воздействия в условиях относительно невысокого уровня напряжений и накопленной энергии, когда без внешнего воздействия землетрясений бы вообще не было. Индуцированная сейсмичность проявляется в виде относительно слабых толчков, происходящих необязательно в сейсмически активных регионах при таких воздействиях как заполнение водохранилищ, закачкой воды в пласт, разработка месторождений нефти, газа, твердых ископаемых. Общим во всех случаях индуцированной сейсмичности является то, что активация подвижек и определенный критический уровень напряжений достигается только за счет энергии воздействия. Высвобождение энергии при индуцированной сейсмичности есть релаксационный процесс по отношению к техногенному воздействию. Гипоцентры событий индуцированной сейсмичности расположены обычно в пределах области взаимодействия техногенного источника и объекта. Энергия колебаний при индуцированной сейсмичности, как правило, невелика и ограничена магнитудами в пределах М (3-3,5).
Триггерная сейсмичность возникает за счет высвобождения собственных запасов энергии в геологической среде под воздействием внешних источников возмущений. Необходимым условием появления такой сейсмичности является нарушение стационарного деформационного режима в среде и формирование очага землетрясения, почти подготовленного к переходу к неустойчивой стадии. Техногенное воздействие в этом случае только ускоряет или запускает (является триггером) высвобождение накопленной в среде упругой энергии. Высвобождаемая энергия инициированных (триггерных) землетрясений будет определяться уровнем тектонических напряжений в породном массиве и размером напряженной области. Очевидна аналогия с инициированием (запуском) землетрясений некоторыми природными процессами, например лунно-солнечными приливами, удаленными землетрясениями, изменениями атмосферного давления и др. Триггерная сейсмичность более характерна для сейсмически активных регионов, где уровень тектонических напряжений достаточно высок. Однако известны отдельные случаи ее возникновения и в асейсмичных и слабосейсмичных районах. Отличительной особенностью триггерной сейсмичности является то, что интенсивность (магнитуда) землетрясений и выделяемая энергия превышают значения соответствующих величин для техногенного воздействия.
Ниже обсудим особенности наведенной сейсмичности и двух ее частных случаев, на примерах, исследованных наиболее подробно, - горных работах, добыче углеводородного сырья, заполнения водохранилищ и подземных взрывов.
Наведенная сейсмичность при горных работах возникает, главным образом, в условиях подземных рудников в виде разнообразных динамических явлений, которые обычно объединены общим названием - горные удары. Описанию этих явлений и классификации их по энергии посвящены работы [Козырев, 1998; Николаев, 1994; Петухов и др., 1979] и многие другие. Выделяют очень слабые динамические явления с энергией меньше 104 Дж - стреляние, толчки, микроудары, шелушение, заколообразование. Затем выделяют собственно горные удары от слабых (104-105 Дж) до сильных (106 - 107 Дж). Слабые горные удары обычно коррелируют со временем проведения буровзрывных работ и тяготеют к краевой зоне горных выработок. Сильные горные удары практически не имеют пространственно-временной связи с буровзрывными работами, и места их проявления перемещаются в сплошные целики и в глубину массивов. Указанную наведенную сейсмичность от слабых динамических явлений вплоть до сильных горных ударов следует отнести к категории индуцированной сейсмичности.
Очень сильные горные удары с энергией 107 - 108 Дж и особо сильные - с энергией 108 - 109 Дж называют горно-тектоническими ударами, поскольку они проявляются в виде резких подвижек по тектоническим разломам и сопровождаются значительными разрушениями выработок и массовыми обрушениями свода, объемы которых превышают 105-10б м3. Горно-тектонические удары с энергией свыше 109 Дж в некоторых работах характеризуются как техногенные землетрясения [Козырев, 1998; Петухов и др., 1979], поскольку для них высвобождение энергии соответствует слабым тектоническим землетрясениям. По существу, это частный случай из всего многообразия сейсмических событий техногенного происхождения. С позиции классификации по схеме рис. 2.1, мощные горные удары и горнотектонические удары с энергией свыше 108 Дж естественно отнести к категории триггерной сейсмичности, поскольку для них характерен самопроизвольный процесс высвобождения энергии из очага землетрясения, образовавшегося в зоне влияния горных работ или уже существовавшего в области тектонического разлома. В качестве ярко выраженных примеров триггерной сейсмичности при подземных горных работах можно упомянуть мощный, с энергией 5 10 Дж горно-тектонический удар 19.10.1985 г. на СУБРе и особо мощный горнотектонический удар 17.08.1999 г. на руднике "Умбозеро" Ловозерского редкоземельного месторождения, вызвавший землетрясение с магнитудой 4 — 4,4, что соответствует энергии горного удара 10п -1012 Дж [Ловчиков, 2000].
Источник и методика макетных энерговоздействий на геологическую среду
Для глубинного зондирования земной коры разработаны генераторные установки, позволяющие возбуждать последовательность импульсов тока с амплитудой в несколько сот ампер [Акопов и др., 1982; Зейгарник, 1986; Трапезников и др., А.с. 1345852 СССР, А.с. 145852 СССР]. В 1983-1986 гг. такие установки, получившие название электроимпульсных систем (ЭИС), были введены в эксплуатацию на Бишкекском геодинамическом полигоне (НС РАН). ЭИС является устройством, обеспечивающим преобразование энергии первичного источника в дискретные во времени импульсы тока заданной величины. Для проведения глубинных электромагнитных зондирований с целью мониторинга кажущегося сопротивления была выбрана наиболее мощная система ЭИС-630, развивающая ток в активной нагрузке 630 А.
Установка ЭИС-630 работает по следующему принципу. Напряжение трехфазной питающей электросети 10 кВ поступает на трансформаторную подстанцию с изолированной нейтралью вторичной обмотки, где понижается до 0,4 кВ. Выход трансформаторной подстанции подключен к индукционному регулятору напряжения, а последний - к входу трехфазного неуправляемого мостового выпрямителя. Использование индукционного регулятора напряжения с неуправляемым выпрямителем на выходе дает возможность регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах, сохраняя неизменной величину пульсаций напряжения. Это позволяет применить простейший L-фильтр, выполненный в виде дросселя, включенного между выпрямителем и тиристорным коммутатором.
Конструктивно ЭИС-630 выполнена в виде стационарной установки, включающей шкаф преобразователя (выпрямитель и тиристорный коммутатор), шкаф балласта, шкаф коммутирующей аппаратуры, конденсаторные батареи, коммутирующую и гасящую емкости, два дросселя типа СР-800, индукционный регулятор ИР 74/29 и питающую подстанцию мощностью 400 кВт. Управление установкой осуществляется системой, состоящей из двух блоков - питания и собственно управления. Последний блок позволяет выбирать режимы работы с независимым заданием длительности импульсов тока и пауз, устанавливать и регулировать амплитуду импульса тока, осуществлять индикацию режима работы и величины тока в нагрузке, производить отключение в аварийных режимах.
Эксплуатация ЭИС-630 при проведении электромагнитных зондирований показала эффективность принятых технических решений и целесообразность разработки аналогичных установок с более высокими требованиями по стабильности амплитуды импульса тока и крутизне среза. Подобный "апгрейд" электроимпульной системы был выполнен на основе концепции генераторной установки с системой регулирования тока для электрофизических установок [Кофман и др., 1983]. Система регулирования тока была разработана совместно с НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, С- Петербург. После модернизации генераторная установка с регулятором тока стала называться "электроразведочной генераторной установкой", (ЭРГУ). В состав установки входят: управляемый выпрямитель (УВ) на тиристорах, собранных по мостовой схеме, пассивный LC-фильтр, система управления, регулирования и стабилизацией тока нагрузки, тиристорный коммутатор (ТК), а также система управления тиристорным коммутатором и установкой в целом. Система регулирования тока (рис. 3.6) состоит из регуляторов тока (РТ), напряжения (РН) и демпфирующего (РД); узла задания (УЗ); устройства фазового управления (УФУ); блока сглаживания субгармоник (БСС); датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН). Для обеспечения высоких точностных характеристик в системе использован четногармонический датчик тока [Бакланов и др., 1981], а сигнал, пропорциональный напряжению, снимается с делителя напряжения (ДН) и через узел гальванической развязки (УТР) подается на вход сумматора регулятора напряжения. Принцип работы системы регулирования тока (СРТ) заключается в следующем. В исходном состоянии после подачи питания на выход УВ он находится в режиме инвертирования, и напряжение на нагрузке и балластном резисторе, включенных на выходы ТК, равно нулю, т.е. ТК находится в отключенном состоянии. При этом на выходе источника задающего напряжения (ИЗН), входящего в состав УЗ, установлено напряжение, пропорциональное заданному выходному напряжению выпрямителя, интегратор 1/(Р7и) регулятора тока занулен, на выходе усилителя пропорциональной части Крт имеется сигнал, пропорциональный напряжению на балластном резисторе ТК. Регулятор тока отключен от входа контура напряжения.
При поступлении сигнала на включение выпрямителя ("Пуск УВ") управляемый выпрямитель выводится из режима инвертирования, на выходе фильтра (входе ТК) появляется напряжение, и УВ переводится в режим стабилизации напряжения балласта. При появлении сигнала на формирование импульса тока в нагрузке происходит коммутация ТК, который подключает УВ к электрическому диполю или к магнитной рамке (петле). Пропорциональное звено KR„ подключается к входу контура стабилизации напряжения, и оно переводится в режим стабилизации, а в нагрузке формируется импульс тока. Сигнал с выхода датчика тока ДТ, пропорциональный току нагрузки, поступает на вход усилителя сигнала ошибки (УСО). Напряжение на выходе УСО с увеличением тока в нагрузке уменьшается, а при достижении тока величины порядка 0,9 от заданного интегратор РТ выходит на рабочий режим, поддерживая заданное значение вершины импульса тока с точностью не ниже 0,1% от /НОм- После протекания тока в нагрузке тиристорный коммутатор переключается с нагрузки на балластный резистор, РТ отключается, пропорциональное звено Крт переводится в режим стабилизации напряжения на балласте, формируя режим паузы.
На основе рассмотренной системы регулирования тока и электроимпульсной установки ЭИС-630 в НС РАН был изготовлен опытный образец регулируемого конденсаторно- тиристорного источника - установка ЭРГУ-600-2. Основными достоинствами этой установки, вьщеляющими ее среди других генераторных устройств, являются большая мощность (500 кВт), высокая стабильность импульса тока, краткое время спада тока и возможность работы с диполями с сопротивлением, лежащим в диапазоне 0,4 - 6 Ом. Эта установка эксплуатировалась в течение более 20 лет и продолжает использоваться в НС РАН в настоящее время.
Применение конденсаторно - тиристорного источника ЭРГУ-600-2 для электромагнитного мониторинга. Генераторная установка ЭРГУ-600-2, которая осуществляет преобразование электрической энергии первичного источника в последовательность импульсов тока с амплитудой в несколько сотен ампер, включает следующие элементы и подсистемы: источник электропитания, преобразователь, коммутатор, нагрузку и систему управления. В качестве источника электропитания используется промышленная электрическая сеть переменного тока. Преобразователь осуществляет преобразование переменного тока первичного источника в постоянный с заданными параметрами по амплитуде выходного напряжения, пульсациям и стабильности. Коммутатор представляет собой устройство, осуществляющее преобразование постоянного тока в импульсный, с требуемыми длительностью и скважностью.
Физическое моделирование воздействия электромагнитных полей на геосреду
Подобие процессов, происходящих в сложных геологических структурах земной коры, и деформационных процессов, наблюдаемых в лабораторных экспериментах на нагруженных образцах горных пород [Богомолов и др., 2001; Манжиков, 1983], создает предпосылку для исследования процессов, происходящих в глубинах земной коры путем проведения физического моделирования на образцах горных пород. Для выявления характерных особенностей влияния внешнего электрического поля на нагруженные образцы гетерогенных материалов в НС РАН проведены эксперименты на различных образцах горных пород.
Эксперименты проводились на пружинной реологической установке УДИ с максимальным усилием сжатия 100 тонн (разработана А.Н. Ставрогиным, ВНИМИ, С.Петербург), а также на рычажно-гравитационной установке УДИ-Л с максимальным усилием 35 тонн (смонтирована в НС РАН на основе конструкции УДИ). На рис. 4.7, 4.8 приведена фотография УДИ с испытываемым образцом, а на рис.4.9- фотография рычажно-гравитационного пресса.
При проведении экспериментов на пружинном прессе УДИ нагрузка на исследуемый образец изменялась ступенчато при помощи гидроцилиндра с ручным приводом. После изменения нагрузки (благодаря сжатию пружин) ее величина фиксировалась с помощью упорной гайки. Таким образом, за счет упруго сжатых пружин бесшумным способом поддерживалось сжимающее напряжение в течение измерительных сессий, в ходе которых образец подвергался дополнительным воздействиям электроимпульсов. Величина сжимающей нагрузки контролировалась при помощи манометра на рабочем цилиндре гидропривода, а также периодическим замером изменений длины пружин с помощью датчика линейных перемещений LVDT. Образец устанавливался на нижнюю пяту (рис.4.8), в которую встроены датчики акустической эмиссии, конструктивно совмещенные с кабельными усилителями. Сверху образец упирался в верхнюю пяту, а центрирование образца производилось за счет сферического шарнира, на который опирается нижняя пята.
Для регистрации АЭ при испытании образцов на пружинном и рычажно-гравитационном прессах использовались датчики SE2MEG-P фирмы DECI (США) со средней чувствительностью 1,8-10"5 Па/В и широкополосный измерительные каналы (частотный диапазон от 80 кГц до 2,5 МГц), разработанные в НС РАН. Датчики закреплялись на боковых гранях образцов ближе к верхней траверзе. После усиления сигналы АЭ оцифровывались при помощи АЦП ФК4226, работающих в стандарте КАМАК. Буферная память АЦП обеспечивала непрерывную регистрацию временной зависимости АЭ в течение временного интервала, превышающего длительность сигналов АЭ. Часть памяти (обычно 0,2-0,3) выделялась для сохранения предыстории до прихода фронта волны от источника АЭ. При превышении усиленным сигналом АЭ уровня дискриминации срабатывала система запуска регистрации, и информация из кольцевого буфера АЦП передавалась для дальнейшей обработки на персональный компьютер. Связь между КАМАКом и персональным компьютером осуществляется с помощью контроллера, монтируемого на шину ISA. Одновременно с АЭ контролировалась нагрузка, продольная и поперечная компоненты деформации. Тензометрические каналы были настроены на измерения в килогерцовом диапазоне частот. Сигнал одного из боковых датчиков после усиления и фильтрации управлял запуском всех измерительных каналов, обеспечивающих регистрацию сигналов АЭ с остальных датчиков (встроенных в нижнюю пяту и/или расположенных на боковых поверхностях образца) и сигналов динамометра и деформометра. Количество измерительных каналов АЭ и тензометрии определялась задачами конкретного эксперимента. При необходимости достижения максимального быстродействия использовался всего один канал АЭ и канал измерения продольной деформации образца.
Сохранение информации, передаваемой из КАМАКа на персональный компьютер, организовано следующим образом. Для каждого события АЭ, т.е. превышения порога дискриминатора, формируется свой файл, описывающий сохраненные временные ряды, количество которых равно числу включенных АЦП (числу каналов), и условия регистрации. Хронологическая последовательность файлов при постоянной нагрузке содержит полную информацию о вариациях активности АЭ в течение данной измерительной сессии при постоянной или ступенчато меняющейся нагрузке, включающей сеансы с включением электроимпульсов (модельных ЭВ).
Дополнительные электрические воздействия, моделирующие натурные зондирующие электроимпульсы, осуществлялись во время сеансов испытаний на ползучесть при фиксированном уровне сжимающей нагрузки. Сразу после увеличения и фиксации нагрузки образцу отводилось определенное время 30-90 минут для релаксации переходных процессов, связанных с неравномерностью пригрузки и краевыми эффектами (поверхностное выкрашивание и др.). Когда проявления переходных процессов в потоке акустоэмиссионных сигналов становилось порядка естественного шума, начиналась измерительная сессия, длительность которой достаточна для набора представительной выборки событий АЭ. В ходе сессии сначала регистрируется фоновая зависимость активности АЭ для выявления среднего уровня, дисперсии и трендов. Затем на образец подавались электрические импульсы. В качестве источников электромагнитного поля использовались: конденсаторный разрядник, создающий электрические импульсы с крутизной фронта порядка 1 микросекунды и пиковым напряжением порядка 1 кВ; генератор прямоугольных импульсов Г5-54 (длительное воздействие, при котором амплитуда импульсов задавалась в каждой сессии в пределах от 5 до 50 В, длительность 5-50 мкс, выбранный диапазон частот 1-3 кГц), а также генераторы Г6-28 и ГЗ-112, позволяющие задавать форму импульса.
При обработке данных прежде всего определялись временные зависимости активности АЭ, понимаемой как величина, обратная среднему времени накопления некоторого небольшого числа событий. Усреднение проводилось в скользящем окне по небольшой выборке событий, регистрируемых в течение временного интервала, краткого по сравнению с длительностью измерительных сеансов. Подчеркнем, что именно по вариациям активности АЭ было установлено влияние импульсных электромагнитных полей на ход трещинообразования в образцах нагруженных геоматериалов [Закупин и др., 2003, 2006, 2006а; Bogomolov et al, 2004]. Цитированные и другие работы по той тематике, в которых диссертант является соавтором, выполнены в лаборатории моделирования энергонасыщенных сред НС РАН в порядке поддержки исследования проблемы влияния импульсов физических полей на слабую сейсмичность.
