Вивчення деформаційних процесів гірських порід в умовах їх природного залягання

Вивчення деформаційних процесів гірських порід в умовах їх природного залягання становить великий інтерес для фундаментальної науки при дослідженні геодинамічних процесів , сейсморайонуванні , розвідки та експлуатації родовищ корисних копалин. Важко оцінити , що важливіше в цьому напрямку: його фундаментальне значення або практичні додатки . До даної проблеми слід віднести і вивчення більш швидких зрушень поблизу поверхні Землі природного та антропогенного походження в зв'язку з прокладанням тунелів , експлуатації шахт , будівництвом трубопроводів , інженерних споруд , об'єктів підвищеної екологічної небезпеки (АЕС , хімічних виробництв та ін.) Особливе значення даний напрямок має для проблеми пошуку надійних методів своєчасного попередження про сейсмічної небезпеки та інших геодинамічних подій ( обвали , гірські удари , зсуви).

Багато десятиліть велася розробка методів і апаратури прямих деформаційних вимірювань на геологічних об'єктах. Створені унікальні прилади, що дозволяють проводити вимірювання відносної деформації і нахилів поверхні . Сучасні космічні технології (GPS ) дають можливість отримати дані про швидкості руху тектонічних плит і континентів.

Разом з тим до цього часу , деформаційні вимірювання , добре зарекомендували себе для окремих типів рухів , як випливає з досвіду довгострокових натурних спостережень , не дають належної результативності при дослідженні заключній стадії прогнозування землетрусів. Результати прямих вимірювань , які приймаються за основу при побудові фізичних механізмів підготовки сейсмічного удару , суперечливі, що дає підставу для справедливої ​​критики і сумнівів у результативності застосовуваних методів ( Johnston , et al , 1994; 2002).

До теперішнього часу в науковій пресі ведеться жвава дискусія , чи існують подібні швидкі рухи в епіцентральной зоні або в зоні підготовки напередодні удару , що дають принципову можливість пошуку провісників і розробки методів короткострокового прогнозу землетрусів.

З 60- х років минулого століття виявлено явище виникнення електромагнітного випромінювання ( ЕМВ) безпосередньо перед землетрусом і з тих пір проводяться всебічні дослідження цього типу геофізичного поля , як параметра непрямого моніторингу динаміки напружено - деформованого стану земної кори поблизу поверхні . Незважаючи на досить довгу історію розвитку даного методу його відносять до розряду нетрадиційних .

У практиці розробки та експлуатації гірничих виробок з успіхом використовується метод реєстрації акустичної емісії ( АЕ) . Безсумнівна логічний зв'язок явища акустичної та електромагнітної емісії при деформуванні гірських порід. Цей зв'язок обумовлена ​​різними механізмами дислокаційної природи , супутніми деформації будь-якого твердого тіла і гірських порід, зокрема . Дослідження геоакустіческой емісії мають більш тривалу історію і неодноразово робилися спроби застосування цього параметра для вивчення провісників землетрусів ( Грішників 1976, Савич 1979, Виноградов 1989 , Bogomolov et al . , 2004). У нечисленних випадках це призводило до обнадійливих результатів.

Пояснення цьому можна знайти в аналізі ступеня зашумленності цих геофізичних полів при наземному і підземному розташуванні датчиків , ступеня загасання сигналу з відстанню , методології проведення вимірювань. Та обставина , що метод акустичної емісії отримав більшого поширення при підземному розташуванні датчиків , а ЕМІ при наземному розташуванні антен , свідчить про переважаючою ролі відносини сигнал / шум у тих і інших умовах.

У середині 60- х років чл. -кор. РАН А.А.Воробьевим (1970 ) була висловлена ​​гіпотеза про те , що процесу передувало крихкому руйнуванню супроводжує етап активного деформування в зоні вогнища , при якому мають місце граничні напруження і деформації , незмінно супроводжуються процесами електризації , в результаті яких може відбуватися пробій гірських порід . Це спонукало А.А. Воробйова використовувати термін « підземні грози» . Їм же була розроблена методика вимірювань і проведені перші спостереження імпульсного ЕМІ в сейсмоактивних районах . Практика досліджень ЕМІ провісників за наступні десятиліття внесла суттєві корективи в початкові уявлення про природу сейсмоаномальних ЕМ збурень . Проте , метод отримав широке поширення, у тому числі і за кордоном , і довів високу інформативність .

До теперішнього часу електромагнітні методи дослідження заключного етапу підготовки землетрусу міцно зайняли лідируючі позиції в комплексі з іншими методами. Обговорення результатів вивчення електромагнітних явищ , супутніх процесу деформації земної кори в сукупності з космічними технологіями включені в тематику традиційних міжнародних симпозіумів і, більше того , ці питання , предмет спеціально створених робочих груп у IUGG , EGS , MEEMSV , MARELEK . Досить згадати , що з часу перших і одиничних публікацій у вітчизняній пресі , тобто з середини 60- х років , протягом останніх десятиліть їх кількість досягла багатьох сотень на рік , у тому числі і в провідних зарубіжних геофізичних журналах ( JGR , Geoph . Res.Lett , Annali di Geophysica , J. App . Geoph , Tectonophysics , J . Atmosph . Electricity та ін.)

В даний час видано ряд монографій , узагальнюючих багаторічний досвід досліджень ЕМ явищ у навантажених гірських породах в умовах їх природного залягання ( Гохберг та ін 1988; Gokhberg et al . , 1995; Hayakawaetal . , 1994). Вищесказане дозволяє зробити висновок про безсумнівну перспективність подальшого розвитку даного напрямку , запропонованого в Росії .

Одним з принципових питань , обговорюваних у цій роботі , є питання про причинно - наслідкових зв'язках спостережуваних сейсмоаномальних електромагнітних процесів з природою супутніх явищ ( геомагнітних збурень , припливів ) . У цьому зв'язку методично важливим є питання про дослідження фону в електромагнітному полі , на рівні якого проводиться визначення специфічного сигналу , що належить досліджуваного деформаційному процесу.

Ці питання були предметом спеціальних досліджень у ряді дисертаційних робіт ( Хусаміддінов 1981рік, Токтосопіев 1987рік; Здоров 2002 рік, та ін.) Однак , до теперішнього часу ці дослідження не виходили за рамки аналізу періодів запису за обмежений інтервал часу , включаючи порушення в добовому ході фону , грозову активність та ін

З розвитком технології проведення геофізичного експерименту і , в особливій мірі , з використанням сучасної обчислювальної техніки , радикально змінилися методи і принципи побудови апаратури , що дозволило перейти до більш глибокого аналізу структури самого електромагнітного сигналу. Це в свою чергу відкрило нові можливості виділення корисного сигналу за алгоритмами амплітудного і спектрально - часового аналізу , а безперервні режимні спостереження дозволили вивчити Долгоперіодниє варіації фону за багаторічний період . Однак до теперішнього часу питання вивчення просторово -часових характеристик спостережуваних ефектів залишаються маловивченими , головним чином через обмеженість мережі спостережних станцій.

Існування провісників, в даний час не викликає сумнівів. Це обставина сама по собі свідчить про зв'язок з деформаційними процесами в Землі . Однак це не вирішує основної суперечності про відсутність надійних експериментальних даних по кореляції реєстрованих аномалій в АЕ, що виникають перед землетрусами , з прямими спостереженнями за деформаціями в зоні підготовки землетрусу (Ейбі 1982рік).

Відсутність чітких відповідностей між непрямими свідченнями деформування зони підготовки і прямими вимірами деформацій знаходить якісне пояснення з позицій мозаїчності будови земної кори і розподілу напруженого стану середовища , але не зменшує ступеня важливості дослідження механізму таких зв'язків . Частково ці питання вирішуються методами лабораторного моделювання. Але в цьому випадку виникають не менш складні питання про критерії подібності процесу руйнування , що протікають в істотно відмінних просторових масштабах.

У цьому зв'язку звертає на себе увагу явище припливу, в якому об'ємні сили , постійно діючі на земну кору , викликають адекватні сторонньої силі деформації. З урахуванням широкого діапазону періодів варіацій в циклічному впливі гравітаційних сил на середу , в останній можуть мати місце процеси непружного деформування , в тій чи іншій мірі властиві будь-якому типу навантажування гірських порід.

У даній роботі робиться ще одна спроба виділення непружної складової деформаційного поля місячно- сонячного припливу за даними сейсмічності і безперервних вимірювань електромагнітного фону. Отримані в роботі результати знаходять згоду з моделлю опису заключній стадії підготовки землетрусу , безпосередньо попередньої удару з єдиних позицій на основі явища повзучості ( Крип ) навантажених гірських порід.

У даній роботі проводиться подальший аналіз провісників землетрусів зареєстрованих на полігоні к.ф.-м. наук А.Г. Здоровим. Ці передвісники аномалії виділені на основі наявних в даний час апаратурних засобів і з використанням накопичених знань про тлі ЕМ випромінювання в даній місцевості. Проведено вивчення добового фону сигналу , його сезонного ходу , а також техногенного шуму. На основі вивчення морфології електромагнітного шуму атмосфери проводиться виділення корисного сигналу. Потрібно відзначити , що корисний сигнал істотно різниться від всіх перешкод природного та техногенного походження. Його відмінні особливості ще насилу піддаються формалізації на сучасному етапі . Але при безперервному контролі за станом фону його неважко виділити з шуму. Це дало підставу подавати успішні наукові прогнози локальних землетрусів. У силу того , що ця частина роботи докладно описана в його дисертаційній роботі ( Здоров 2002рік) ми не будемо зупинятися на ній докладно і наведемо основні висновки. Зокрема , ним встановлено , що передвісники варіації виникають від декількох десятків годин до кількох діб перед моментом сейсмічної події і проявляються у вигляді різкого (протягом десятків хвилин) збільшення швидкості рахунку імпульсів, що перевищує в десять і більше разів рівень фону. Аномальні варіації рідко мають квазіустойчивий вигляд, частіше вони проявляються у вигляді серії окремих сплесків , що чергуються з завмираннями . Фаза скидання характеризується таким же контрастним спадом , що і фаза наростання. Тривалість аномалій варіює від 7 до 50 годин , в середньому складаючи , з урахуванням довірчого інтервалу , 23 ± 15 години. В силу наявності різкої фази скидання аномального ЕМВ , в якості прогностичного параметра часу сейсмічної події , обраний інтервал часу від моменту остаточного скидання аномалії до рівня фону до моменту землетрусу . За набраними даними , тривалість цього інтервалу може змінюватися від 0 до 112 годин , але граничні випадки вкрай рідкісні. Середня тривалість тимчасового інтервалу між закінченням аномалії і моментом землетрусу становить 37 ± 16 годин , тобто саме з такою точністю можливо прогнозувати момент часу землетрусів.

При індивідуальності кожного з сейсмічних подій , що реєструються на різних видаленнях , глибинах і магнітудою , розрахунки , проведені в нормованих епіцентральним відстанях в рамках моделі релаксуючого крипу , дають можливість оцінити характерний час розвитку процесу повзучості , що передує удару , тим самим отримати важливий критерій контролю за процесом підготовки в реальному часі. Використання сучасних методів аналізу даних передбачає відповідний рівень розвитку методів вимірювань.

Актуальність роботи полягає у вивченні характерних особливостей передвісника на заключній стадії підготовки тектонічного землетрусу , визначення критеріїв побудови алгоритмів оперативного аналізу даних та побудови відповідних пристроїв , а також тригерного впливу приливних сил на процес підготовки землетрусу і необхідності розробки надійних способів контролю за непружними деформаціями верхніх шарів земної кори для моніторингу небезпеки внаслідок таких геодинамічних подій , як тектонічні зрушення , зсуви , гірські удари , землетрусу.