Введение к работе
В настоящее время ведутся широкие исследования электромагнитных эф фектов, сопровождающих процессы разрушения горных пород. Этот интерес стимулируется задачами прогноза землетрясений, а также горных ударов.
Толчком к изучению электромагнитных явлений, возбуждаемых при сейсмотектонических процессах и в горных разработках, послужили лабораторные исследования электризации в процессах деформирования и разрушения материалов. С семидесятых годов и по настоящее время опубликовано около 100 наблюдений электромагнитных эффектов в период землетрясений в различных сейсмоактивных районах мира (Средняя Азия, Балкона - Карпатская зона, Япония, Кавказ и др.). Однако, из этих наблюдений нельзя сделать выводы о местонахождении первичных источников в земной коре или, возможно, вторичных источников в нижней ионосфере, искажающих ЕИЭМП (естественное импульсное электромагнитное поле Земли). При этом известно, что возмущения ЕИЭМП могли вызываться и причинами не сейсмической природы, а метеоусловиями или космическими воздействиями на ионосферу и магнитосферу Земли. По морфологическим особенностям возмущения ЕИЭМП предположительно сейсмической природы не отличаются от возмущений, наблюдавшихся непосредственно перед землетрясениями, и имеют продолжительность от десятков минут до суток. Отличительные признаки возмущений электромагнитного поля сейсмотектонического происхождения выявлены не были. Поэтому нельзя было исключить "подходящих" совпадений сейсмических событий и возмущений ЕИЭМП несейсмической природы.
В последние годы направление экспериментальных исследований стало смещаться от работ по обнаружению электромагнитных явлений (перед землетрясениями) к работам по изучению эффектов в определенных оболочках Земли, т.е. в литосфере, ионосфере и атмосфере. При исследованиях электромагнитного излучения (ЭМИ) поверхностных источников начали выявлять их связь с
деформационными процессами. Однако, накопленные полевые наблюдения совпадений возмущений естественных и искусственных электромагнитных полей v сейсмических событий не дают информации о возможной природе крупномас штабных сейсмоэлектрических преобразований в земной коре и сейсмоионо сферных взаимодействий. Фактически продолжаются работы на обнаружение і/ установление достоверной связи наблюдаемых эффектов с сейсмическими про цессами. Хотя теоретические работы показывают возможность различного про явления электромагнитных эффектов при сейсмотектонических процессах \і отсутствуют ограничения на перенос лабораторных данных по процессу разру шения на земную кору, тем не менее, поиски электромагнитных эффектов осуще ствляются не целенаправленно. Это связано с тем, что в теоретических пред ставлениях почти не анализируются особенности возбуждения механоэлектриче ских преобразователей (МЭП) в земной коре по сравнению с лабораторным! образцами. Механизмы возбуждения единичных МЭП в земной коре и в лабора торных образцах однотипны, а их схожесть обусловлена достижением пороговы; уровней упругих напряжений в зоне будущих источников ЭМИ. В то же время ус ловия земной коры отличаются от лабораторных условий тем, что возможно кол лектианое возбуждение множества МЭП, распределенных в значительном объе ме. Для надежного выделения электромагнитных полей множества МЭП в уело виях естественного электромагнитного шума необходимо знать характеристик! единичных источников, такие как дипольный момент, мощность излучения, пре имущественный частотный диапазон излучения.
В связи с изложенным, представляет интерес исследование характеристи единичных источников МЭП в горных материалах и моделирование эффекта коллективного возбуждения МЭП в условиях земной коры. Кроме того, эти иссле дования дают возможность построения модели источников электромагнитны: предвестников землетрясений. Эти работы являются основным содержаниег диссертации.
Актуальность темы определяется задачей, решение которой даст возможность представить модели источников электромагнитных изучить физические закономерности возбуждения предвестников землетрясений и в земной коре
іектромагнитньїх полей сейсмотектонического происхождения для выделения югностических признаков подготовки землетрясения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальные исследования в лабораторных условиях ірактеристик единичных излучателей -трещин в горных материалах и исследо-ания коллективного возбуждения механоэлектрических преобразователей при іупномасштабном моделировании в условиях земной коры с целью учета этих энных для построения моделей источников электромагнитных предвестников.
Методика определения электрических характеристик (величина переносимого фяда, амплитуда тока дислокационной природы, частотный диапазон) магист-зльных трещин при разрушении лабораторных образцов.
Закономерности возбуждения токовых источников дислокационной природы и < характеристики в фазе разрушения образцов различных материалов.
Условия возбуждения механоэлектрических преобразователей в земной коре ри контролируемых воздействиях механических нагрузок в крупномасштабных <спериментах (взрывы).
. Связь условий возбуждения механоэлектрических преобразователей в земной эре с моделями электромагнитных предвестников землетрясений.
. Разработана система регистрации пролетных зарядов с использованием нтенны Роговского при разрушении горных материалов и кристаллов в лабора-эрных условиях. Апробирована методика восстановления формы и амплитуды оковых импульсов по их отклику. . Получены для горных материалов абсолютные значения величин зарядов, пе-
еносимых в вершине трещины, лежащие в интервале (4-200)* Ю-7 Кл. Рассчи-
аны Мощности излучения единичных трещин, составляющие (2-200р*1(Г Вт.
. Показана связь между низкочастотной составляющей спектра акустической миссии и процессами перемещения зарядов дислокационной природы в фазе азрушения. Появление низкочастотной составляющей спектра (100 - 1000 Гц) в
сигнале дислокационного тока указывает на некоррелированность включения единичных источников.
4. Определены критические предельные расстояния, связанные с уровнем деформации, на которых возможно возбуждение электромагнитного излучения -ЗМИ (электромагнитное излучение) от упругих волн взрывных и сейсмических источников. Показано, что спектры ЭМИ лежат преимущественно в диапазоне 6-18 Кгц.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработаны методические вопросы контроля электромагнитных полей литосферного происхождения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на совещании рабочей группы Комиссии по физике очага и прогнозу землетрясений МССС «Электромагнитные исследования / Махачкала 1989, Алма-Ата - 1991/, Межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн / Томск - 1991/, Всесоюзные симпозиумы по механоэмиссии с механохимии твердых тел / Ростов-на Дону - 1986/, Всесоюзной школе-семинаре по электромагнитному зондированию. Звенигород, ноябрь 1984 г., Школе семинаре по ОНЧ-излученям /Якутск - 1985/, Всесоюзном семинаре по измерениям напряжений в массиве горных пород /Новосибирск -1987/, Генеральная Ас самблея Международного геофизического союза /Ванкувер - 1987/, Школе семинаре "Статистические методы обработки сигналов и изображений /Новосибирск - 1991/, Международном семинаре "Напряжения в литосфере /Москва- 1994/.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать пє чатных работ в журналах и тематических сборниках. Список публикаций приведе в конце автореферата.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пята глав, и заключения. По каждой из гла даны краткие выводы. Рукопись содержит 144 страниц машинописного тексті 51 рисунок, 9 таблиц и список литературы из 118 наименований.
Диссертационная работа выполнена в Институте Физики Земли АН СССР в отделе Электромагнитного поля Земли под руководством доктора физи-
ко-математических наук И.Л. Гуфельда и доктора физико-математических наук профессора О.А. Похотелова. Автор выражает большую признательность своим руководителям за постоянное внимание и руководство.
В работе использованы экспериментальные данные, полученные при непосредственном участии автора. Автор признателен М.Б. Гохбергу, А.М. Булошни-<ову, Н.Н. Никифоровой, А. Федотову и О.В. Козыревой за непосредственное участие и помощь в организации и проведении экспериментов.