Содержание к диссертации
Введение
1 Трщиноватость горных поюд.методы ее изучения, электрические свойства трещиноватых ТЕД.
1.1. Общая характеристика трещиноватости горных пород 8
1.2. Методы регистрации трещин в горных породах 10
1.3. Влияние трещиноватости на физические овойства сред.15
1.4. Электрические свойства и трещиноватость тел. 19
2 Электрические свойства гетерогенных систем.
2.1. Теория обобщенной проводимости неоднородных сред 22
2.2. Теория перколяции 31
2.2.1. Основные понятия теории перколяции 32
2.2.2. Электропроводность и теория протекания 34
2.2.3. Аналогия электрических и механических свойств деформируемых тел. 38
2.2.4. Перколяционная модель разрушения. 41
2.3. Поверхностная проводимость 43
3 Методика, аппаратура, объекты исследования.
3.1. Методика исследований 45
3.2. Аппаратура 48
3.3. Объекты исследования. 56
4 Результаты экспериментальных работ и их обсуждение.
4.1. Электрические свойства кристаллов кварца в интервале 100 - I 000С. Влияние растрескивания 58
4.2. Порошковые модели. 63
4.2.1. Влияние объемной доли и формы включений на ЭП 63
4.2.2. Влияние размеров включений на пороговую концент-трацию 67
4.2.3. Исследование явления перколяции в переменных полях различной частоты 68
4.3.1. Изучение влияния малого давления на электрические свойства неоднородных систем/порошковые модели Коэффициент тензочувствительности 76
4.3.2. Частотные зависимости 80
4.3.3. Перколяционный датчик деформаций 83
4.4. Влажные модели. Влияние малых давлений. 90
4.5. Горные породы 97
4.5.1. Дальная зона 97
4.5.1.1. Получение образцов с различной трещиноватостью и их механические характеристики 98
4.5.1.2. Зависимость электрических свойств пород с различной трещиноватостью от влажности 101
4.5.1.3. Эффект цикличности нагрузки. 109
4.5.2. Моделирование процессов в "Ближней" зоне /ЭП и ДП разрушающихся пород/. 112
4.5.3. Влияние повышенных температур 130
4.5.4. Исследование влияния концентрации напряжения на электрические свойства 133
4.5.5. Обсуждение закономерностей временного хода У и g при длительном разрушении 138
5. Геофизические приложения эффекта аномально-высокой тензочувствительности.
5.1. Интерпретация эффекта смещения эпицентра прогнозируемого землетрясения 143
5.2. О принципах подбора места для режимных геофизических наблюдений. 148
Выводы 151
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из наиболее важных задач, непосредственно примыкающих к проблеме прогнозирования горных ударов и землетрясений, является изучение микро- и макроразрушения горных пород. Сложность и многообразие строения интересующих нас объект тов, трудности в определении полей напряжений, концентрации и ориентации трещин и т.д. затрудняет строгое решение задач о закономерностях трещинообразования в этих объектах и, следовательно, развития процесса разрушения. В связи с этим весьма актуальным яв-ляется выяснить связь процесса разрушения с физическими характеристиками, с помощью которых можно косвенным образом контролировать /прослеживать/ процессы в очаге разрушения /задача "ближней
зоны"/.
Немаловажным является также слежение за состоянием среды вдали от очага, в связи с перераспределением напряжений в массивах горных пород с уже сформировавшейся /неразвивающейся/ сетью трещин. Исследования в "дальней зоне" весьма актуальны, в связи с подбором места прогностических комплексов.
Действительно, для корректного выбора пункта наблюдения очень важным является найти место, наиболее чувствительное к изменению напряженного состояния на достаточно больших расстояниях от очага землетрясения, что невозможно без понимания основных факторов, обусловливающих тензочувствительность физических характеристик массивов горных пород - это задача исследования "дальней зоны" разрушения.
Среди таких характеристик одними из наиболее перспективных являются электрические параметры - в частности, электропроводность /в общем случае комплексная/.
Цель работы заключается в том, чтобы найти оптимальное, с точки зрения чувствительности к давлению, состояние породы с учетом
степени развития в ней сетки трещин, влажности, температуры и т.д. Иначе говоря, цель заключается в выяснении условий максимальной чувствительности горной породы, как тензочувствительного "датчика" к давлению. Далее исследовалось изменение электрических параметров в образцах, подвергнзгвшихся длительному разрушению с целью поиска предвестников магистрального разрыва в очаговой зоне.
Основные задачи исследований. В работе была поставлена задача изучить влияние трещиноватости, напряженного состояния и условий окружающей среды на электрические свойства неоднородных /трещиноватых/ сред.
Для решения этих задач были проделаны модельные работы на смесях порошков проводящих и непроводящих частиц разной дисперсности, слоистых системах, увлажненных электролитом. Исследовались также горные породы сейсмоактивных районов, в основном, обсидиан, гранит, базальт и диабаз /Джавахетское нагорье/. Исследовались образцы как с естественной трещиноватостью, так и испытавшие тепловой удар различной длительности и интенсивности, т.е. с различной степенью трещиноватости. При постановке эксперимента по возможности ставилась цель изучать влияние каждого фактора, влияющего на электропроводность деформируемой породы - влажности, концентрации трещин, температуры и т.д. в отдельности.
Для задачи выяснения условия максимальной чувствительности горная порода с развитой сеткой трещин, рассмотрена как датчик-преобразователь напряжения. Для моделей таких горных пород найдены условия, при которых достигается максимальная тензочувствитель-ность. В качестве моделей были использованы смеси проводник-изолятор. Оказалось, что ЭП этих смесей с увеличением доли проводящей фазы увеличивается скачкообразно. Это явление не может быть описано классической теорией Максвелла-Вагнера обобщенной проводимости и хорошо объясняется лишь в рамках теории перколяции /протекания/. Исследована тензочувствительность моделей и горных
пород при малых давлениях от 0 до 15 килопаскаль - /одноосное/ и от 0 до 50 килопаскаль /гидростатическое/ и выяснены условия,при которых проявляется максимальная тензочувствительность.
Проведены многочисленные эксперименты на горных породах для исследования влияния трещиноватости и влажности на ЭП и ДП образца, для выяснения критериев максимальной чувствительности электропроводности среды к деформации^для поиска электрических предвестников разрушения образцов в условиях постоянной нагрузки /длительного разрушения/.
Практическая ценность. Результаты работы дают возможность более обосновано подбирать участки для малоглубинных электрических прогностических установок путем учета фактора тензочувствительно-сти горных пород в районе наблюдательной станции, а также более корректно решать вопрос о переходе от измерения электропроводное сти массивов к их напряженному состоянию. Разработан принцип тен-зочувствительного перколяционного датчика деформации.
Публикации. Основная часть работы опубликована в виде шести статьей, из которых две - за рубежом. Часть работы вошла в монографию "Электрические и магнитные свойства горных пород при повы-^ шенных температурах и давлениях", "Мецниереба", 1979.
Научная новизна. Трещиноватая порода рассмотрена как датчик напряжения. В благоприятных условиях она реагирует на малые напряжения на больших расстояниях от очага.
Хорошо известная теория обобщенной проводимости /Максвелл-Вагнер, Бругемман/, разработанная для описания физических свойств неоднородных /в том числе трещиноватых/ сред, не может описать поведете систем при большой концентрации неоднородностей /трещин/ и при большом контрасте в физических свойствах смещающей среды и неоднородности /трещины/.
В работе для интерпретации некоторых особенностей поведения электрических свойств трещиноватых сред при изменении напряженно-
го состояния как в ближней, так и в дальней зоне впервые применены методы теории перколяции /протекания/.
Установлено, что эффект аномально высокой тензочувствительнос-ти электропроводности и диэлектрической проницаемости может наблюдаться лишь близ порога протекания. Обнаружены предвестники разрушения образцов, подвергаемых постоянной нагрузке в условиях высокой влажности атмосферы: бухтообразное изменение низкочастотной проводимости, ее рост и исчезновение частотной дисперсии, видимо, в результате расширения проводящих каналов /трещин/.
Апробация. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по физическим свойствам горных пород при высоких термодинамических параметрах в Баку /1978г./, в Ташкенте /1981г./,на семинаре отдела физических свойств вещества земли Института Физики земли АН СССР, на семинаре кафедры коллоидной химии МГУ, на объединенном семинаре отделов электроразведки, сейсмометрии и физики горных пород Института геофизики АН. ГССР, на Международных симпозиумах по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях КПГ в Шлотвице /ЦЦР, 1980г./ и Железном Броде АССР, 1982г./, на Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" в Боржоми /1982г./.
Методы регистрации трещин в горных породах
Первые эксперименты по наблюдению за трещинами,начатые в тридцатых годах, проводились на оптически прозрачных изотропных материалах в условиях статического приложения нагрузки. Фотография с использованием скоростных камер является одним из основных методов исследования процесса разрушения одиночной развивающейся трещины. Ясно, что наибольший эффект достигается при изучении кинетики разрушения оптически прозрачных материалов, на которых получены ставшие классическими, экспериментальные данные Гриффится и Смекаля. Гораздо труднее охарактеризовать не одну трещину, а всю совокупность множества трещин в теле - в особенности изменение их концентрации и расположения в процессе разрушения. Кроме оптических методов непосредственного подсчета числа и измерения длин трещин, имеются и интегральные методы. Например, наблюдали размножение трещин, используя луч, отраженный с полированной поверхности образца габбро [б]. Поверхность габбро в отсутствии нагрузки имеет черный цвет. С увеличением нагрузки цвет габбро постепенно меняется до белого. Поскольку отражение увеличивается с увеличением плотности трещин, можно полагать, что изменение цвета есть результат увеличения трещиноватости. Этими же авторами ф\ для более точного анализа трещиноватости, была использована нитроцеллюлозная пленка. На полированную поверхность образца наносится раствор нитроцеллюлозы: он инфильтруется в трещинах. На снятой после сушки пленке нитроцеллюлозы под микроскопом можно исследовать картину трещиноватости образца. Появление в прозрачных материалах начальных разрывов сплошности с размерами от десятков ангстрем до долей микрона хорошо регистрируется методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [б] . Этот метод основан на том, что рассеяние от крупных частиц распространяется в малые углы, а от мелких простирается до больших углов. В связи с этим интенсивность рассеяния в хвостовой части интегральной кривой обусловлена только мелкими частицами.
По наклону хвостовой части кривой можно определить размер мелких частиц, а по наклону головной части - несколько заниженный размер крупных частиц [7] . Ограничения этого метода таковы: объект должен быть прозрач-ным, а размер нарушений от А до I 000 А . Эффективным непрямым методом оценки трещиноватости является изучение механических и других физических свойств горных пород,на которые влияет появление в теле трещин - это скорость упругих волн, электропроводность, проницаемость и т.д. Успехи в ультразвуковой дефектоскопии позволяют применить ультразвуковые методы для регистрации размеров трещин в любых твердых телах, в том числе и горных породах. Очень важные результаты о зарождении микротрещин в объеме нагруженных горных пород получены методом акустической эмиссии АЭ [8,9,10] . Правда, АЭ не дает сведений о ранее существовавших трещинах. Моги (11,12] исследовал акустическую эмиссию при разрушении горных пород и связал ее с появлением микротрещин. Им было установлено, что появлению трещины, разрушающей образец, предшествует множественное образование микротрещин, сопровождающихся АЭ. В работах [13,14,15] , в которых исследовалась АЭ, было установлено, что и при всестороннем сжатии при нагрузках, близких к разрушающим, образуется много микротрещин. Для твердых тел источником АЭ, кроме образующихся трещин, может быть целый ряд физических явлений, таких как движение дислокаций, сдвиги, двоиникование минералов, фазовые переходы, которые в тех или иных случаях могут протекать в напряженной структуре одновременно [l6,I7] . Поэтому проводятся работы для разделения АЭ, вызванной той или иной причиной. Авторы [l8,isj сделали попытку сепарировать АЭ, связанную с зарождением трещин, и идентифицировать параметры АЭ с характеристиками, образующихся под нагрузкой трещин. Суть методики заключается в том, что исследования проводились на таких материалах, в которых заранее известен основной источник излучения. Устойчивое увеличение амплитуд АЭ наблюдается только перед макроразрушением. Это увеличение амплитуд АЭ продолжается вплоть до окончательного макроскопического разрушения. Поэтому можно - , где А - "текущая" амплитуда АЭ, а Дс- критическая амплитуда, использовать в качестве предвестника макроскопическо- го разрушения [20] . В этой же работе разработана методика разделения акустических сигналов от рассеянных по объему микротрещин и сигналов, локализованных в очаге разрушения. Одним из методов регистрации трещин является электромагнитное излучение /ЭЩ/, как показано в [21 - 25] В зависимости от постав--ленной цели исследования, южно либо считать количество регистрируемых импульсов ЭМИ, либо изучать спектр ЭМИ, что дает возможность определять как кинетику разрушения, так и судить о разрушаемом материале. Согласно [22,24] каждому из разрушаемых материалов соответствует свой, только ему присущий спектр ЭМИ, с другой стороны,по интенсивности излучения можно судить о длине трещины, так как интенсивность излучения / Э /, согласно [25] , есть 5 f 22, где Р- - модуль сдвига в плоскости, перпендикулярной разрушению, а і - длина трещины. Принцип, на котором основан один из эффективных методов изучения трещиноватости, дифференциально-деформационный анализ /ДЦА/, заключается в том, что породы, содержащие трещины, сжимаются легче, чем те же породы без трещин. Схематически кривая сжатия дается на рис. I [26).
Разница между измеренной-деформационной кривой и прямой, соответствующей упругой деформации при низких давлениях,вызвана присутствием трещин. Дифференциальная деформация определяется как разница между деформацией образца и деформацией эталонного образца /монолита без трещин/, которые находятся в одинаковых экспериментальных условиях. По измерению электропроводности /У / и диэлектрической проницаемости / 6 / можно судить о развитии трещиноватости и степени заполнения трещин водой, однако использование этих параметров как самостоятельной методики определения трещиноватости затруднено в связи с тем, что в реальных условиях на ЭП деформируемого тела влияют одновременно несколько факторов: I. Изменения раскрытия имещихся /"старых1 / трещин, частично или полностью заполненых водой, в результате чего происходит перераспределение поровой влаги. Это может привести как к увеличению Т /частично-заполненных/, так и к уменьшению /влажных/. П. Появление новых трещин. Ш. Влияние давления на ЭП и ДП твердой /сплошной/ части образца. ІУ. Электродные и поверхностные искажения. 1.3. Влияние трещиноватости на физические свойства сред. Процесс подготовки и разрушения породы делится на четыре стадии , которые хорошо отражаются на некоторых физических свойствах горных пород. Это четко видно на схематическом рисунке /рис. 2/, заимствованном у Паттерсона [27] , где дается зависимость электропроводности, акустической эмиссии, скоростей упругих волн и газопроницаемости от осевой деформации. При деформации вначале происходит закрытие мелких трещин и вытеснение из них электролита: /I стадия/. Объем образца резко уменьшается, происходит увеличение электрического сопротивления, скорость прохождения упругих волн увеличивается. Газопроницаемость и акустическая эмиссия резко уменьшаются. На П стадии, которая характеризуется дальнейшим закрытием трещин и сжатием пор /уменьшение порового пространства/, уменьшается и общий объем образца породы. Электросопротивление продолжает увеличиваться. Газопроницаемость уменьшается. Ш стадия - это стадия появления новых трещин. Число трещин резко растет, происходит слияние трещин и их укрупление.
Теория перколяции
Для большинства изученных нами моделей и образцов горных пород, электрические свойства составляющих компонентов /двухфазная система/ резко отличаются друг от друга. При изучении изменений ЭП и ДП системы с увеличением концентрации фг выяснилось, что Т и Є системы проходят через критическое состояние (при Яг - 41 ) причем свойства смесей в окрестности Яс не объясняются в рамках теории эффективной среды (76-8(5) . В работе [8IJ была высказана мысль, что для определения эффективной проводимости гетерогенных систем У необходима информация об их структуре. Когда концентрация включенных частиц Хс -0,1 , система имеет структуру с изолированными вкраплениями; когда же Хс 0,4 , в системе имеется взаимопроникающие компоненты, а когда 0,1 . Хс4 0,4 система от структур с изолированными вкраплениями переходит в систему с взаимопроникающими компонентами. Переходную область, в которой связность компоненты резко меняется, необходимо рассматривать в рамках теории перколяции / Рег_ со&Ііоп -протекание/, а область, где Х 0,1 и Х 0,4 хорошо опи- сывается по ТЭС [76-79] . При изучении влияния трещиноватости на У и 8 как на моделях, так и на горных породах, оказалось, что изменение степени связности системы трещин от локальной до глобальной представляет собой критическую область для электрических свойств. Согласно [82j основные черты развития процесса трещинообразования могут быть хорошо описаны при помощи теории перколяции, независимо от конкретного механизма образования трещин. Основные идеи теории перколяции были сформулированы в [8I-88J, которая возникла в связи с разработкой противогазовых масок для шахт. Дело в том, что протекание газа через соединяющие поры представляет собой процесс нового типа, в корне отличающийся от известного в физике процесса диффузии: при перколяции существенно, что среда хоть и случайно, но обладает "памятью". Впоследствии оказалось, что этот подход, первоначально предназначенный для описания процессов, связанных с потоками частиц через неоднородные среды, универсален.
Он используется при построении теории электропроводности, ферромагнетизма, сверхпроводимости, фазовых переходов /ФЦ/ второго рода и т.д. [84-8 . 2.2.1. Основные понятия теории перколяции. Представим себе бесконечную пространственную решетку. Назовем связями отрезки между ближайшими узлами решетки. Предположим, что каждая связь может находиться в двух состояниях. Она может быть разорванной или целой. Пусть вероятность того, что произвольная связь цела, есть X и не зависит от состояния других связей. Тогда мы имеем "идеальный раствор" целых и разорванных связей. Концентрация первых есть X , а концентрация вторых і - X . Картина распределения целых и разорванных связей при данном X фиксирована и во времени не изменяется. После "смачивания" одного узла решетки могут возникнуть две разные ситуации. Исходный узел может "смочить" либо конечное, либо бесконечное число узлов. Какая из этих двух возможностей реализуется, зависит, конечно, от доли целых связей решетки. Для характеристики всей системы в целом удобно говорить не об одном конкретном исходном узле, а о вероятности того, что произвольный исходный узел смачивает бесконечное число узлов. В бесконечной решетке эта вероятность не зависит от конкретной реализации, т.е. от того, каким образом легли целые и разорванные связи. Для данного типа решетки она зависит только от X , и мы будем обозначать ееР(х). При малых X величина р (х) =0 , так как разорванные связи не позволяют жидкости отойти далеко от исходного узла. При X , близких к единице, вероятность Р (Х) также близка к единице. Важнейшее значение имеет введенное Бродбентом и Хаммерсли понятие порога протекания /критической вероятности/. Порогом протекания Хс называют верхнюю границу тех значений X , для которых р(х) = 0. За порогом протекания функция непрерывно нарастает до единицы. При Х-Хс 1 Второй основной задачей перколяции является задача узлов, которая формулируется аналогично [90,9IJ . В этом случае под X подразумевают долго разыгранных узлов в решетке. Изменение связности с ростом Хс можно характеризовать несколькими перколяционными функциями, среди которых можно назвать радиус корреляции L(x)и, конечно, электропроводность У . Когда концентрация N проводящих /узлов/ становится больше критической / X Хс. /, при достаточно больших значениях остается лишь один большой кластер, наряду со многими малыми. При fsj _ оо и фиксированном значении X отношение числа узлов в этом "бесконечном" кластере к числу узлов во всей решетке стре-мится к точно определенной функции Р (х). Это отношение, которое называется вероятностью перколяции по узлам ps (х) , естественно использовать при рассмотрении явлений переноса. Действительно,это не что иное, как часть объема системы, в котором возможна проводимость на постоянном токе. По мере возрастания X над критическим значением Хс бесконечный кластер быстро растет, поглйщая меньшие кластеры. Соответственно функция pS(x) сразу после порога быстро возрастает от нуля асимптотически приближаясь к X при X Хс ; при этом изолированных кластеров остается очень мало. Вблизи порога функция ps(x) описывается простым степенным законом [92-94) . Кроме некоррелированных систем, где вероятность X данного узла не зависит от состояния соседних узлов, существуют и корре лированные системы. Особенность коррелированных систем состоит в том, что в зависимости от условий корреляции порог перколяции изменяется.
При рассмотрении электропроводности большого куба, в котором соседние узлы соединяются ї-с помощью одинаковых сопротивлений, а разорванным связям соответствует бесконечное сопротивление и напряжение подводится к плоским металлическим контактам, покрывающим две противоположные грани куба, выясняется, что его эффективная электропроводность Т(х) отлична от нуля при Х ХС и при 0 х . 1 где t критический индекс для электропроводности [95] . Экспериментальные данные, а также данные, полученные с помощью расчета на ЭВМ [96-98] подтвердили правильность формулы If (У) /Х-Хс) Например, Ласт и Таулесс [9б) на квадратном листе проводящей графитовой бумаги пробивали круглые отверстия с центрами, лежащими в случайных узлах квадратной решетки и измеряли сопротивление между противоположными сторонами квадрата как функцию числа отверстий. Ватсон и Лит измеряли электропроводность квадратной металлической сетки, в которой случайным образом вырезались узлы. Левинштейн [99) исследовал электропроводность проводящей решетки, нарисованной на непроводящей бумаге аквадагом. Киркпатрик изучал ЭП для кубов 25 х 25 х 25 на ЭВМ. Результаты говорят о том, что индекс і для разных задач близок и он равняется І = I - 1,3 для двумерных сеток, а для трехмерных -Ь = 1,5 -- 1,75. Исследуя ЭП смесей частиц с проводимостями Yd и о m , ПрИЧЄМ Тої 4е- m , Киркпатрик показал, что теория эффективной среды хорошо описывает проводимость двухфазной системы, когда г - Х 5 Ю"2. Если К 5 10 , концентрационный ход Т(х) можно разделить на три области: 1) область малых концентраций, где хорошо работает приближение эффективной среды; 2) область, где имеются расхождения с ТЭС и которую можно назвать критической, так как она является переходной. Именно здесь предсказания теории перколяции оказываются более соответствующими эксперименту; 3) область больших концентраций, которую также можно интерпре- тировать в рамках ТЭС. Электрические свойства композитов для разных h -& были изучены в работе [iOOJ , где показано, что изменение ЭП в критической области при X X о можно описать фундаментальной формулой теории перколяции: Перколяционные явления в неоднородных системах в переменных электрических полях обнаруживают некоторые дополнительные особенности по сравнению с перколяцией в постоянном поле, связанные с комплексным характером проводимости. На частоте G) комплексная проводимость смеси равна: где - действительная ДП. Проводимость диэлектрической компоненты даже при нулевой омической проводимости не равна нулю при бо Ф 0 : Поэтому вместо параметра (, можно рассматривать k г(zgry/Ymt т.е. задача проводимости на переменном токе аналогична проводимости смеси неидеальный изолятор - проводник при CJ = В работе [iOIj показано, что поведение fje (ио х) вблизи от порога протекания (Х-Хс- 0) полностью можно описать критическими индексами S , р и t.
Объекты исследования.
I. Для выяснения влияния "сухих" трещин и температуры на электрические свойства исследовались монокристаллы природного кварца месторождения Шода и Хдесцкали, а также искусственный кварц. а) Для моделирования горной породы с "влажными" трещинами мы пользовались смесями непроводящих порошков кварца /полимера/ и проводящими включениями, при различной объемной доле фг последних: qj г - где Уг - суммарный объем включений, V - полный объем системы. Для моделирования "влажных" трещин с разными размерами и формой в порошок непроводящих частиц добавляли проводящие частицы разных размеров и различной формы: графит /пластинки/, сажу /сферо идальные включения/ и медь /стержни/. Размеры как включений, так и зерен вмещающей среды, можно было варьировать от 0,315 до 0,05 мм. б) В качестве более близких к реальной влажной трещиноватой породе моделей брались пачки стеклянных пластинок с размерами 20x20x20 мм, упакованные в форме параллелепипеда и увлажненные 0,01 раствором Кс. в) Для моделирования "сухих" трещин в проводящей породе мы ис пользовали сажу как матрицу, в которой были распределены включе ния талька /непроводящая фаза/. г) Из сферичеоких частиц полимера с дисперсностью 0,05 мм и меньше и графитового порошка были изготовлены путем спекания пер- коляционные датчики деформации. д) Наконец, большой объем работ проделан на образцах базальта, обсидиана, диабаза и гранита из сейсмоактивного региона /Джава- хетского нагория/. На пером этапе работ исследовалось влияние "сухих" трещин на электрические свойства пород при высоких температурах, поскольку при низких температурах нельзя было ожидать сколько-нибудь заметного эффекта. Дело в том, что основные породообразующие минералы /кварц, полевой шпат/ в сухом состоянии являются хорошими диэлектриками и, если трещины также "сухие", то контраст в проводимое-тях и диэлектрических проницаемостях слишком мал, чтобы он был заметен при нашей методике измерений. Это подтверждают и расчеты по теории Максвелла-Вагнера. Однако, на высоких Т ,как было показано в [l20J , диэлектрическая проницаемость образцов может возрасти на несколько порядков при диспергировании, в связи с большим вкладом поверхностной поляризации.
Поскольку при сильном нагреве во многих породах вызывает микрорастрескивание, т.е. появление новых поверхностей раздела, то можно было ожидать, что повышение температуры приведет к заметному росту диэлектрической проницаемости на низких частотах. Тогда по поведению ДП можно судить о развитии процесса трещинообразования. По многим экспериментам, которые проводились на кварце можно сказать, что в результате температурного воздействия природный прозрачный кварц становится мутным от микротрещин. Исследования проводились в диапазоне 0,3-200 кгц и температур Ю0-1000С на мостовой установке. На разных образцах зависимость ЭП от температуры различна /рис, 7/. Для монокристаллов кварца гидротермального происхождения из жил "альпийского" типа месторождений Хдесцкали характерны аномалии - минимум при Т = 600-700С и максимум при Т » 850-900С. Эти аномалии сглаживаются, либо исчезают при охлаждении /рис, /. Исследованиями [121,122) , было показано, что аномалия Т в области 600С может быть объяснена ск -J3 переходом кварца. Инверсия кварца впервые была установлена в 1889 г. Ле Шателье. Для низкотемпературной модификации было предложено название d --кварц, а для высокотемпературной J3 -кварц. Известно, что температура инверсии меняется в зависимости от состава кварца. В отдельно взятом образце инверсия происходит на одной и той же температуре. При повторных измерениях точка инверсии чистого кварца при I атм. близка к 573,5С. Температура инверсии природного кварца колеблется в пределах не более 38С. Превращение ск -кварца в J3 -кварц носит эндотермический характер и сопровождается увеличением объема приблизительно на 3,25 см2/кг или на 0,86$. В качестве критерия инверсии можно принять появление близко расположенных друг к другу трещинок в кристаллах, что основано преимущественно на соображениях о сопровождающем инверсию изменении объема. При экспериментальных исследованиях установлено, что трещина в кристаллах при инверсии возникает вследствие термического градиента. На растрескивание также влияет состав [l22J . Известно также, что с 5240 начинается весьма интенсивное увеличение удельного объема кварца и разрыхление его структуры. Полагают, что, начиная с температуры 524С , d -кварц перестает быть гомогенным и в нем возникают достаточно хорошо развитые гетерогенные флуктуации. В точке инверсии мы имеем микрогетерогенное двухфазное состояние. Это позволяет дать удовлетворительное объяснение аномалии в температурной зависимости теплоем- кости, диэлектрической проницаемости и других свойств кварца вблизи точки ск - Р -перехода. Помимо ск - J3 -перехода, при последующем нагреве кварц испытывает еще одно превращение при 867С - это переход fi -кварц - три-димит. Однако, вряд ли аномалию К- и & можно объяснить собственно о( - ft -переходом. Можно назвать несколько вторичных явлений, среди которых очень важное место занимает трещиноватость. Образование трещин при инверсии кварца [l22-I24 может оказывать влияние на различные физические свойства и в некоторых наших образцах9 по-видимому, происходило интенсивное образование трещин в процессе опыта, о чем можно судить по появившейся молочно-белой окраске, однако нельзя утверждать, что лишь этот эффект определяет амплитуду и характер электрических аномалий. Большая аномалия ДП помимо трещинообразования при о( - j3 -переходе, может быть обусловлена и такими вторичными эффектами, как:дегидратация, декрипи-тация, образование дофинейских двойников малых размеров. X. Непосредственными наблюдениями было установлено [I23J , что при о(- (3 -инверсии дегидратация резко возрастает, что и может вызвать резкий рост сопротивления.
Однако, исследование зависимости У от времени выдержки при постоянной температуре показало, что изменение У со временем незначительно. Поэтому вряд ли можно считать полностью установленным дегидратационный механизм аномалии. 2. Декрипитация тоже может вызвать аномалию в зависимости (Т) utt однако установлено, что этот процесс заканчивается при температурах порядка Э00-400С, что гораздо меньше температуры 600-700 С, при которой имеет место сильная аномалия. ЭП и ДП /рис. /. 8. Весьма важным является резкое ускорение в области d - J3 --перехода образования дофинейских двойников малых размеров, кото- рне можно рассматривать как микрогетерогенности, причем этот процесс может начаться и за неаколько градусов, и за много десятков градусов ниже Т& , а максимум двойникообразования иногда не совпадает с 573С. Интенсивное образование двойников иного характе-рара отмечено и при инверсии fi -кварц - тридимит. Двойникование влияет почти на все физические свойства: механические, тепловые, электрические. С двойникообразованием коррелирует также число микро- и макротрещин, появляющихся при нагреве, причем максимума трещиноватооть достигает при 570С. Подводя итоги, можно сказать, что в электрических свойствах кварца наблюдаются определенные аномалии в области полиморфных переходов и при этом резко возрастает низкочастотная , , как это ожидалось по модели поверхностной поляризации. Хотя по литературным данным именно в этой области температур резко возрастает число микротрещин, все же нельзя однозначно утверждать, что эти аномалии связаны с наличием трещин, поскольку, кроме трещино-образования в этих же интервалах температур наблюдаются и такие явления, как дегидратация, двойникование и т.д., что также может повлечь определенные электрические эффекты. Поэтому в дальнейшем исследования были продолжены на моделях, которые позволяли проводить более однозначную интерпретацию. 4.2. Порошковые модели. 4.2.1. Влияние объемной доли и формы включений на ЭП. Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, поскольку проследить за появлением, ростом числа и слиянием трещин не удается, нельзя сказать, как именно влияет увеличение объемной доли трещин / Фг / на проводимость образца Т . Этот же недостаток характеризует и многие другие эксперименты, имеющие целью изучение влияния трещиноватости на ЭП. Для того, чтобы провести количественное сравнение эксперимента с существующими теориями, необходимо было точное знание числа трещин, их формы и проводимости заполняющего материала. Для этой цели очень удобными оказались порошковые модели.
Горные породы
Как отмечалось, изучение влияния трещин на различные физические свойства горных пород является одной из основных задач прогнозирования землетрясений. Бесспорно, что район, в котором возможно заметить влияние готовящегося землетрясения, можно разделить на "ближнюю" и "дальнюю" зоны. В ближней зоне /очаге/ происходит увеличение числа и рост длины элементарных трещин, их смыкание и появление магистральной трещины. В дальней зоне можно наблюдать лишь незначительные деформации пород и в связи с этим перераспределение поровой или трещинной жидкости, которая в природных условиях является электролитом. Поэтому наши исследования велись так, чтобы осуществить моделирования этих двух зон. Соответственно и описание результатов экспериментов мы разделили на две части для "ближней" и "дальней" зон. Но нужно признать, что это деление является не очень точным, потому что существуют эффекты, которые можно наблюдать в обеих зонах. 4.5.1. Дальняя зона. Как уже отмечалось, основная характерная черта "дальней" зоны-- это то, что там не происходит появления новых трещин;наблюдаются лишь малые изменения давления /деформации/. По уже имеющимся микро- и макротрещинам происходит перераспределение жидкости. Перераспределение жидкости характерно и для порового пространства пористых пород. Большая разница между электрическими свойствами скелета горных пород и поровой жидкости дает возможность судить о последствиях изменения объема и конфигурации пор и трещин. При математическом описании электрических свойств минеральный скелет и воздух в порах можно считать одной непроводящей компонен- той, а жидкость в ней высокопроводящей компонентой, т.е. ограничиться двухфазной моделью. Отметим, что даже при частичном заполнении пор и трещин, жидкость может образовывать хорошопроводящие пути, и тут уже огромную роль играет связность системы трещин и пор, и характер конфигурации проводящих путей, которые и определяют электропроводность трещиноватых горных пород, а также возможность достижения высокочувствительного к деформации перколяционного состояния системы /см. 4.3. \ /. Связность хаотической системы трещин, размеры которых гораздо меньше размеров образца, зависит в основном от концентрации трещин, их формы и расположения, как это показали опыты на порошковых моделях.
Поэтому было важно провести серию опытов при различной степени трещиноватости одной и той же породы и при различной увлажненности для фиксированной трещиноватости с тем,чтобы уловить момент достижения состояния ДОГ и сформулировать основные условия достижения этого состояния. 4 5.1Л Получение образцов с различной трещиноватостью и их механические характеристики. Образцы с различной степенью трещиноватости были получены методом теплового удара. Известно, что при быстром нагреве и охлаждении порода растрескивается по ряду причин: из-за неравенства коэффициентов теплового расширения минералов, составляющих породу и усиления тепловых флюктуации. Кроме того, при изучении зависимости электрических свойств кварца от температуры Т было установлено, что аномальная область в ходе Т(т) может быть следствием трещиноватости, создающейся при декрипитации и d - р -перехода. Метод теплового удара удобен для создания хаотической системы трещин. Регулируя максимальную температуру нагрева, скорость повышения и понижения температуры, можно добиться различной концентрации трещин. Кроме теплового удара, трещиноватость создавалась одноосным сжатием, при котором образовывалась более или менее направленная система трещин» параллельная оси нагрузки. Для получения хаотической сети трещин образцы закалялись в режиме повышения температуры без нагрузки. Они были нагреты в муфельной печке до конечной температуры за 15 минут. Потом образцы охлаждались до комнатной температуры. Максимальные температуры нагрева образцов составляли: 300, 500 и 700. Образцы, закаленные при больших температурах /700С/ оказались непригодными для эксперимента. Они разрушались или во время закалки или во время эксперимента, не выдерживая необходимых нагрузок. Кроме того, при таких больших температурах может измениться минералогический состав горных пород. Деформация образцов определялась с помощью системы проволочных тензорезисторов и тензометрического моста с непрерывной записью. Результаты измерений для образцов незакаленных и закаленных при различных температурах гранита и базальта приведены на рис. 27а,б , на которых нанесены кривые сжимаемости и деформации, как функции одноосного давления. Из рис. 27 видно, что сжимаемость "TTpt незакаленного образца увеличивается линейно с нагрузкой, причем для закаленного образца соответствующая кривая идет с нарушением линейной зависимости -J—32J- (р) , которая становится более крутой. Идентичные свойства проявляет и закаленный базальт. Чем выше температура закалки, тем больше трещиноватость в образце, зависящая скорее всего от размеров зерен образца. Различие между кривыми для гранита и более мелкозернистого базальта, по-видимому, вызвано различием размеров зерен. Для выяснения того, имеются ли и на зависимости (f ) от влажности W в естественных образцах трещиноватых пород области резкого повышения У при малом изменении Ф , т.е. области перколяционного перехода, аналогичные обнаруженным на порошковых моделях, проводились измерения при различной влажности. Измерялись электрические параметры ЭП и ДП исходных высушенных образцов, после чего они помещались в форвакуум. После выдержки в вакууме, что необходимо для откачки воздуха из образца, на торцах образца создавалась разность давлений от форвакуума до атмосферного давления. В результате этого электролит /KC/f приведенный в контакт с невакумированным торцом, проникал в поры и трещины. После увлажнения образец взвешивался. Такой цикл повторялся несколько раз. После стабилизации веса увлажненного образца, считалось, что образец насыщен.
Далее изучалось изменение электрических свойств пород при уменьшении количества влаги в трещинах и порах в связи с естественной сушкой. На рис. 28а,б приведены кривые зависимостей о и закаленного при 500 обсидиана от влажности фг. Как видно из рис. 28а ЭП образца существенно зависит от величины р2 . Например, изменение Я1 на 0,008 вызывает уменьшение ЭП на 4 порядка. Следует заметить , что в рассматриваемом случае изменение X происходит также скачкообразно, но более плавно, чем в случае порошков. С увеличением частоты измеряющего поля происходит сглаживание указанного выше скачкообразных участков кривых ){(ф). Данные для незакаленного обсидиана, естественно, отсутствуют из-за невозможности увлажнения монолитного образца. диабаза от объемной доли влаги в нем / Я1 / Измерение производилось на частоте 2 кгц. Образец был закален при температуре 500 и увлажнен электролитом /0,01 К.С /. Как видно из кривой YfCp"). начальная ЭП у диабаза больше, чем у обсидиана, но с увеличением фг ЭП диабаза растет медленнее, чем соответствующая кривая для обсидиана, хотя объемная доля воды, захваченной в порах и трещинах у диабаза больше ф » 0,022, а обсидиана - меньше фг = 0,008, Таким образом, поведение кривой о () позволяет заключить, что переход типа перколяционного /при фс=:0,0І5/ в диабазе более слабо выражен, чем в обсидиане. Очень интересна, но крайне сложна зависимость ЭП туфов от увлажнения. Известно, что пористость у туфа сквозная. С увеличением влажности электропроводность образца увеличивается /рис. 30а, б/. ЭП меняется почти на четыре порядка и сильно зависит от частоты. В ходе У( ) при низкой частоте можно выделить участки с большей скоростью увеличения ЭП. На высоких частотах эти аномалии сглаживаются и зависимость У от фг для = 200 кгц почти линейна. С увеличением влажности также сильно меняется диэлектрическая проницаемость. С увеличением фг ДП увеличивается. Но, как видно из рис. 306,вид кривых сильно зависит от частоты. Частотная дисперсия с увеличением влажности увеличивается и достигает максимума при максимальной ф . Кривые У и отличаются по виду: если для частоты 0,7 кгц ДП с увеличением ф все время увеличивается, для высоких частот на кривых наблюдаются точки максимума, после которых с увеличением ф происходит уменьшение ДП.
