Введение к работе
Актуальность темы» В последнее время в стране и за рубежом возрос интерес к проблеме генерации электромагнитных полей при ударном воздействии на конденсированные средн. Исследования этой проблемы ведутся как в направлении развития теории, так и в области практического применения данного явления в различных отраслях промышленности. Ряд актуальных .народнохозяйственных задач, таких как - прогноз землетрясений, электромагнитные методы контроля за разрушением и другие - приводят к необходимости расширения исследований по данной проблеме. Интенсивно ведутся работы по изучению природы электромагнит-' ньк предвестников землетрясений. Интерес к данной проблеме продиктован и необходимостью развития средств контроля за проведением подземных ядерных испытаний в соответствии с международными соглашениями. Традиционные сейсмические методы верификации в ряде случаев оказываются неэффективными. Поэтому возникает необходимость в создании методов контроля, основанных на измерении электромагнитных параметров подземных взрывов. Эти методы должны опираться на физическую теорию процессов генерации электромагнитного поля ударными волнами (УВ) в веществе. Поэтому в настоящее время назрела необходимость создания такой теории.
Научная и практическая значимость работы. Помимо перечисленных выше проблем прогноза зеїллетрясений и обнаружения взрывов практическая ценность работы обусловлена также рядом на- сущных задач горной и нефтяной промыаленностей. Так например, для обеспечения безопасности людей при буровзрывных работах требуются приборы, фиксирующие отказы в срабатывании системы подрыва. Суїдествущие акустические методы контроля не надегкни при проведении групповых подрывов с малым интервалом между взрывами вследствие дисперсии и рассеяния волн на стенках сахт и штолен. Аналогичная проблема существует в технике взрывного перфорирования обсадных колонн в глубоких скважинах при вскрытии коллекторов. В этой связи весьма перспективными являются электромагнитные методы дистанционного обнаружения
взрывов в толще породы и в скважинах. Применение этих методов ' будет также полезно в геологоразведочных работах и при решении ряда экологических проблем, связанных, в частности, с загрязнением воздуха пылью и продуктами взрыва.
Научная значимость диссертационной работы обусловлена необходимостью создания общей физической теории электромагнитных эффектов,'возникающих при образовании и распространении УВ в неоднородных средах. Эти эффекты весьма разнообразны, особенно при масштабных подземных взрывах, затрагивающий состояние как литосферы, так и атмосферы и ионосферы. Основные задачи теории - выявление ведущих физических механизмов эффектов и исследование взаимосвязи между ними. Круг вопросов, подлежащих рассмотрению, достаточно широк. Это - эффекты ударной поляризации и деполяризации диэлектриков, ударного намагничивания и размагничивания ферромагнитных включений в естественных породах, излучение и эмиссия частиц при разрушении среда в УВ, пробойные явления в трещинах и порах, квазистатические ноля в разрушенной породе и другие вопросы.
В геофизических исследованиях большое научное значение имеот проблемы возбуждения ионосферы ударными волнами от землетрясений и взрывов, а также - эффекты генерации геомагнитных возмущений (ГМВ) сейсмическими волнами в земной коре.- Вопрос актуален в связи с тем, что в последнее время активно развиваются исследования ионосферы с помощью искусственного воздействия на неё акустическими волнами. Для адекватного описания всей совокупности электромагнитных явлений, сопутствующих УВ, необходимо привлечение разнообразных физических и математических методов. Исследования в этой области науки далеки от завершения. Все это позволяет' квалифицировать проблему электромагнитных эффектов при ударной воздействии на среды как новое научное направление.
Научная новизна. В диссертации приводятся новые результаты по теории ударной поляризации к механизмам генерацій электромагнитных полей ударными волнами, включая эффекты, связанные с образованием плазмы при взрыве. Получены оригинальные результаты по теории геомагнитных возмущений сейсмической и ионосферной природы,инициированных ударными волнами. Развиваются тео- .
.ретические представления о причинах возникновения квазистати- Г ческих электромагнитных полей при разрушении и деформации ве- . щества. Предложены новые способы электромагнитной регистрации взрывов.
Развиваемая в диссертации теория характеризуется следующими новыми элементами: I. Для исследования эффекта ударной поляризации в кристаллических диэлектриках применяется кинетический подход, что позволяет вияснить роль дислокаций и точечных дефектов на уДарном фронте. 2. Предложен новый механизм генерации электрического поля в растущей трещине, которое направлено не поперек, а вдоль берегов трещины. 3. Впервые исследованы эффекты кумуляции электрических полей при захлопывании пор на фронте УВ. 4. Рассчитано-низкочастотное электромагнитное поле УВ в конденсированной среде. 5. Проанализированы вклады различных физических механизмов образования электромагнитного шля при взрыве в среде. 6. Разработана теория магнитных возмущений, вызываемых объемными и поверхностными волнами, для разных типов проводящих сред и источникоз механических напряжений. 7. Показано существование магнитного предвестника сейсмической волны и двух режимов распространения в среде токов и ШВ: диффузионного и акустического. 8. Выведены дисперсионные.уравнения, определяющие спектр низкочастотных. .(0,001- I Гц) ШВ Е-слоя ионосферы, которые могут возбуждаться акустическими волнами. Уравнения учитывают высотное распределение проводшостой Холла и Педерсена, влияние проводимости земли, излучение альфвеновских волн в магнитосферу и содержат в качестве предельных случаев известные в литературе результаты. Э. Впервые предсказано существование 'новых типов медленных ионосферных мод,, связанных с отражение;/ поля от проводящего слоя, расположенного в Земле на глубине 400 км. 10. Проанализированы переходные процессы и асимптотические режимы -распространения- нормальных колебательных мод Е-слоя, возникающих при возбуждении ионосферы ударной волной, її. Предложен новый физический механизм разделения электрических зарядов при взрывах с-выбросом разрушенного вещества, который позволяет объяснить эмпирические зависимости. 12.. Исследованы причины, образования квазистатических электромагнитных полей в ударно слатых и разрушенных средах. Получены оценки известных явлений и предложены новые механизмы эффекта, свя-
эанные с электрохимическими процессами на поверхности обсадной колонны, наличием теллурических токов и изменением электропроводности среды. 13. Предложены новые способы электромагнитной регистрации взрывов шпуровых зарядов в шахтах и кумулятивных зарядов при перфорации труб в глубоких скважинах.
Целью диссертационной работы является построение основ теории электромагнитных явлений, возникающих при ударном сжатии неоднородных и геологических срел. Исследования направлены на понимание физической сути и происхождения электромагнитных эффектов, вызываемых ударной, волной, причем основное внимание уделяется выяснению механизмов, играющих ведущую роль, а также оценке параметров сигналов, наблюдаемых на эксперименте.
Основные положения, выносимые на"защиту.
-
Закономерности эффекта ударной поляризации (УП) в ионных' кристаллах объясняются процессами размножения точечных дефектов решетка и дислокаций, а гакяе изменением их кинетических коэффициентов на фронте УВ.
-
При ударном сжатии неоднородных диэлектриков процессы УП локализуются в вершинах'трещин , в окрестностях пор и включений, что приводит к образованию сильных электрических полей.
-
Электромагнитное поле УВ, связанное с эффектом УП, имеет низкочастотный характер, а время его релаксации зависит ог времени распространения УВ а времени релаксации УП.
-
Диамагнитный эффект расширяющегося нагретого плазменного шара в конденсированной среде приводит к низкочастотным возмущениям, время релаксации которых определяется временем диффузии магнитного поля в шар, а амплитуда их сравнима с сигналом УВ.
-
Акустические водны в проводящзх средах вызывают возмущения магнитного поля двух типов: диффузионные и акустические.
6.. В упругих проводящих средах амплитуды акустической волен и магнитных возмущений убывают на далеких расстояниях по одинаковым законам, а в дисперсионно-диссипативных средах магнитные величины убывают медленнее.
*7. При акустическом возбуждении ионосферы характер возмущений определяется видом низкочастотных дисперсионных уравнений Е-слоя, которые существенно зависят от распределения по высоте проводимостей Холла и Недерсена и ориентации геомагнитного поля»
'" 8. Вертикальная УВ в'ионосфере в олучае горизонтального 'геомагнитного поля создает два импульса противоположных полярностей, отвечающих входу и выходу ТВ из Е-слая, прячем основпая мода возмущении имеет окорость ЇО-20 ны/о я ниже.
9. Образование электрических зарядов при взрыве на выброс происходит в процессе разрушения и микроскола частиц породы, а также в процессе взаимодействия со средой ионизированных продуктов взрыва.
Ї0. Квазистатические поля на место проведения взрыва возникают из-за эффектов ударного'намагничивания породы, я ферромагнитных тол, перераспределения токов естественного и искусственного происхояленлй, изменения электропроводности среда.
Содержание и структура диссертации.. Работа содержит 375 стр. и состоит из 6 глав, введения а заключения. В работе имеется 65'рисунков is список литературы из 410 наименований.
Апробация работы. Результаты исследований, приведенных в диссертации, публиковались з периодической печати в журналах: . КТФ, ПМТФ, Физика горения а взрыва,' Изв.АН СССР. Физика Земли, Изв.ВУЗов. Радиофизика, Геомагнетизм я'аэрономия, Магнитная гидродинамика, ФТПРПИ, Материалы диссертации докладывались на ІГ Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (пос.Менделееве, ВНИЖГРИ, 1983), Всесоюзной конференции "Фундаментальные проблемы физики ударных волн" (пос.Азау, организована ОИХФ АН СССР (г.Черноголовка), 1987), Ж Всесоюзной научно-технической конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения" (г.Львов,. ОМИ АН УССР, 1990), УЛГ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазш (г.Минск, ИШЭ АН БССР, Ї99І), Ж Забабахинских чтениях (г.Челябинск, ВИШТФ, 1992), научно-техническом семинаре "Распространерше и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (г.Смоленск, 1992). Результаты работы докладывались на семинарах в МИФИ,, ИФЗ РАН, ІІЗМИРАН, ВНИИТФ (г.Челябинск-70), ИДТ РАН, ИОАФАН, ИПМ.