Кримська Академія природоохоронного та курортного будівництва

Рассмотрен механизм механоэлектрических преобразований в горных породах с целью прогнозирования геодинамических процессов. Особое внимание уделено импульсным электромагнитным полям, связанным с электроразрядными явлениями в земной коре и несущими информацию о протекающих в литосфере процессах

There has been considered the mechanism of mechanical and electrical transformations in rocks with the purpose of forecasting geodynamic processes. The special attention is given to pulse electromagnetic fields connected to the phenomena of the electrical discharge in Earth crust and having information on proceeding processes in the lithosphere

Структура будь-якого тіла є недосконалою. Особливо це стосується природних з'єднань - мінералів та гірських порід, які представлені в більшості випадків діелектриками, що містять різного роду домішки, заряджені дислокації, пори та інші дефекти. Зовнішнє джерело енергії та її поглинання викликає збудження структури. Вона виходить із стану рівноваги, а надлишок енергії може випромінюватись. Перехід структури із одного стану в інший відбувається при різних перетвореннях, серед яких особливий інтерес представляють механоелектричні. В змінному полі механічних напружень відбувається збудження кристалічної решітки. Мінеральний скелет в напівскальних та скальних породах першим починає брати участь в механоелектричних перетвореннях. В глинистих породах, крім розколювання та деформації частинок мінерального скелета, в формуванні імпульсних електромагнітних полів беруть участь і подвійні електричні шари. Інтенсивна фільтрація рідини в капілярах, порах та інших порожнинах також супроводжується поляризацією та виникненням природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ). Фізична суть явища, яке формує імпульсні поля, досить різноманітна. Це сухе тертя, адгезійні та когезійні явища, п'єзоефекти при фазових переходах. Імпульсні електромагнітні поля, що оточують людину, мають і техногенну природу. Особливо сильно вони розповсюджуються від можливих випромінюваних пристроїв і радіостанцій, які працюють на тих самих частотах, що і природні поля.

Сучасні уявлення про природу імпульсних електромагнітних явищ були розроблені професором Воробйовим А.А. в 50-70-х роках минулого століття [4]. Ним було введено в пет рофізиці поняття ПІЕМПЗ, також раніше воно згадувалось Краєвим [6]. ПІЕМПЗ створюється джерелами, що розміщені безпосередньо в літосфері, і доступне спостереженню на відстані від них від декількох десятків метрів до сотень кілометрів. Джерелами ПІЕМПЗ є масиви гірських порід, в яких під дією механічних напружень різноманітного походження відбуваються незворотні деформації зерен мінералів-діелектриків або капілярів, заповнених електролітом (природною вологою). А.А.Воробйов розглядав два типи механізму збудження електричного стану геологічного середовища в джерелі: або його електричну поляризацію (виникнення надлишкового дипольного моменту), або електризацію (появу надлишкового заряду).

Оскільки в природних діелектриках надлишковий електричний заряд одного знака індукує виникнення заряду другого знака, надлишковий дипольний момент виникає завжди, і стан поляризації є загальною властивістю джерела ПІЕМПЗ.

Поляризація є головною електричною властивістю діелектриків. Виникнення електричних дипольних моментів в кристалах-діелектриках зумовлене зміщенням в різних напрямах позитивних та негативних іонів кристалічної структури. В багатьох випадках поляризація кристалічних порід зберігається без додаткового впливу зовнішніх полів, тобто вони є електретами. В спокійних умовах електрет на поверхні нейтралізується за рахунок притягування протилежних за знаком зарядів. У випадку швидкої зміни поляризації під дією теплового або механічних полів електрет не встигає нейтралізуватись і буде володіти на якийсь конкретний момент часу стаціонарним полем. Таким чином, за певних умов в твердих діелектриках можуть накопичуватись об'ємні заряди, які сприяють появі локальних електромагнітних полів.

Інтенсивність електромагнітної енергії залежить від енергії кристалічної решітки твердого тіла і ступеня її збудження тим або іншим полем. Звідси можна оцінювати величину перетворення одного виду енергії, наприклад, механічної в енергію електричного або електромагнітного поля в дефектній структурі твердого тіла.

Значна увага приділялась механізму електропровідності мінералів та гірських порід як в природних умовах, так і при нагріванні, опроміненні та інших штучних впливах [5]. Основними носіями зарядів є іони. Проте механізм провідності може бути різним і залежить від ряду факторів (складу твердої та рідкої фаз, температури, будови і наявності домішок).

Гірські породи як діелектрики містять в собі домішки, дислокації, тріщини, різні неоднорідності, що призводять до порушення електронейтральності, завдяки чому в них присутні власні електричні заряди, що входять в структуру. Виникнення механічних напружень в породах-діелектриках призводить до накопичення електричного заряду на поверхні.

Механоелектричні перетворення відбуваються в твердій фазі порід та на межі її з рідинами. Все це є джерелом імпульсного електромагнітного поля Землі. Виходячи із основних положень механоелектричних перетворень в гірських породах, випливають передумови для можливого локального прогнозування геодинамічних процесів. Глибоке розуміння взаємопов'язаних явищ неможливе без розгляду теорії тріщиноутворення в гірських породах як в твердих тілах. Процес тріщиноутворення, який призводить до руйнування гірських порід загалом всього масиву, може розглядатись на основі принципів кінетичної теорії міцності, сформульованої С.Н. Журковим та ін.[1,2].

Перебуваючи в полі механічного впливу, породи періодично піддаються впливу накопичення механічних напружень та релаксації їх. Основними діючими при цьому напруженнями є дотичні напруження. До певної величини напружень породи піддаються впливу пружних деформацій, які при досягненні критичної межі, переходять в залишкові деформації. Така картина спостерігається при штучному навантаженні гірських порід і під час розвитку зсувного процесу.

В силовому полі в породах внаслідок механічної зовнішньої дії відбувається прискорений рух елементарних частинок. Він викликає електричні, електродинамічні та магнітні сили, які виводять із стану рівноваги. Порушення стійкої рівноваги в електростатичній системі зарядів створює поле. За Френзелем, окрім кристалу в існуючому подвійному електричному шарі сумарні концентрації дефектів, що несуть різнойменні заряди, можуть бути неоднаковими. Для дотримання електронейтральності кристалу ці концентрації компенсуються зарядом протилежного знака в сусідній фазі.

Із збільшенням механічного навантаження звичайно зростає рух атомів, молекул та напруженість поля. Тісно пов'язані питання електричної теорії кристалічних решіток із міцністю твердих тіл.

На основі цих явищ в 70-х роках професором В.М.Саломатіним був розроблений метод природного імпульсного електромагнітного поля Землі і доведений до практичного використання для вирішення різних завдань. Основними галузями використання методу є: оцінка стійкості території за напружено-деформованим станом порід, вивчення та прогнозування небезпечних геологічних процесів та явищ (землетрусів, зсувів, гірських ударів, обвалів). Метод використовується для геодинамічного картування при виділенні та прослідковуванні зон тектонічних порушень, характеристики геодинамічно-активних структур. Він використовується також і для безконтактного контролю та прогнозу деформацій скла, кераміки, бетону. Успішно метод використовується для визначення та характеристики гео- та технопатогенних зон, виявлення підземних водних потоків.

Геологічне середовище, завдяки розвитку в ньому механоелектричних процесів та явищ, є потужним джерелом електромагнітних випромінювань, які в окремих районах створюють дискомфортні для життя людей зони. Найбільший біологічний вплив створюють високочастотні поля. Сучасні будівлі та споруди за своїми конструктивними особливостями є провідниками хвиль і, маючи заглиблені в основі фундаменти, здатні проводити електромагнітну енергію із геологічного середовища і концентрувати її в окремих місцях. Крім того, напружені елементи конструкцій споруд здатні генерувати та випромінювати, як і породи, електромагнітні імпульси.

Зсуви, гірничі удари, викиди, розриви порід представляють “найвідоміші прояви перерозподілу напружень”. На зсувах характер розподілу напружень в породах є найбільш складним, оскільки він залежить від цілого ряду динамічних взаємопов'язаних факторів. При підготовці зсуву та його утворенні відбувається концентрація напружень в певних місцях із подальшим їх перерозподілом. Різні за своїми кінематичними характеристиками частини зсуву мають і різноманітний напружено- деформований стан порід, що знаходить своє відображення і в варіаціях ПІЕМПЗ.

Метод ПІЕМПЗ себе зарекомендував і при дослідженнях в підземних гірничих виробках. Підземні гірничі виробки в масиві гірських порід призводять до перерозподілу напружень. При цьому можуть утворюватись зони з підвищеними напруженнями до критичних значень, тобто, досягнувши межі міцності, породи (напружено-небезпечні зони) і зони розряджені з релаксованими напруженнями. Для методу ПІЕМПЗ підземні гірські виробки є найбільш вдалими об'єктами досліджень, оскільки електромагнітне імпульсне випромінювання порід в них проявляється більш інтенсивно за відсутності атмосферних перешкод або незначним їх проявом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В жовтні 2002 року з використанням методу ПІЕМПЗ була проведена оцінка напружено-деформованого стану порід вздовж борта Домбровського кар'єру калійних солей. Результати досліджень, подані на рисунку 1, вказують на те, що вздовж борта кар'єру на відстані 10-15м від його краю чітко виділяються зони високонапружених порід, які є потенційно-небезпечною зоною розвитку деформацій з утворенням зсувонебезпечних явищ. Проведені еколого-геофізичні дослідження засвідчили перспективність використання методу ПІЕМПЗ для виявлення та прогнозування екологічно-небезпечних геологічних процесів. Для більш об'єктивної оцінки змін, що відбуваються, та побудови геомеханічної моделі потрібні режимні короткоперіодичні спостереження.

механоелектричний гірська порода геодинамічний

Висновки

1. Механоелектричні перетворення, що відбуваються в мінералах-діелектриках та утримуючих їх гірських породах і розглянуті із позиції фізики твердого тіла, сприяють отриманню інформації про процеси, що відбуваються в надрах.

2. Гірські породи, перебуваючи постійно в напруженому стані, концентрують в дефектах структури електричні заряди, а при деформаціях, починаючи із самих ранніх стадій їх розвитку, випромінюють електромагнітну енергію.

3. Апаратні та методичні розробки, які базуються на цих явищах, покладені в метод ПІЕМПЗ, який використовується для вирішення різних геолого-екологічних завдань.

Література