Исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород в связи с прогнозированием землетрясений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. Н

1.1. Возбуждение электромагнитных колебаний при деформации и разрушении твердых тел . Н

1.2. Источники электромагнитных возмущений в земной коре

1.3. Существующие модели формирования электромагнитных излучателей в земной коре . . . . -ib

1.4. Поля электрического и магнитного диполей в однородной среде. \2>

1.5. Экспериментальные данные об электромагнитных возмущениях в сейсмоопасных районах .•••.•• 2Н

ВЫВОДЫ .гз

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНОЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ГОРНЫХ

ПОРОД В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

2.1. Аппаратура и методика лабораторных исследований . 3Ч

2.2. Результаты изучения механоэлектромагнитной эмиссии горных пород и основные факторы, определяющие их излучательную способность ••••.••.•

2.2.1. Влияние прочности горных пород на интенсивность электромагнитного излучения в процессе их деформирования и разрушения

2.2.2. Влияние хрупко-вязких характеристик горных пород на их излучательную способность

2.2.3. Динамика электромагнитного излучения в процессе деформирования горных пород

2.4. Изучение трещин хрупкого разрушения

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНОЭЛЕКТ-РОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ИХ ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ.

3.1. Разрушение горных пород в естественных условиях залегания

3.2. Аппаратура и методика исследования ЭМИ в шахтных условиях • •••••.

3.3. Влияние напряженного состояния и физических свойств горных пород на интенсивность механоэлект-ромагнитной эмиссии

3.4. Влияние процессов разрушения горного массива на параметры механоэлектромагнитной эмиссии

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

НА ПОВЕРХНОСТИ ЗШИИ ОТ ГЛУБИННЫХ ИСТОЧНИКОВ

4.1. Формирование электродвижующей силы в токопроводя-щих контурах.

4.2. Естественное фильтрование электромагнитных сигналов, индуцируемых в токопроводящем контуре . &

4.3. Коронный разряд на поверхности Земли, свечение атмосферы и люминофоров . .■. т

4.4. Горизонтальный электрический диполь на поверхности Земли

4.5. Вынос электромагнитной энергии на поверхность Земли по волноводам . . .№

4.6. Излучение электромагнитных волн кристаллическими породами, входящими на поверхность Земли.

4.7. Возбуждение и вторичное излучение ионосферы

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЯЗИ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СЕЙСМИЧНОСТЬЮ ЗЕМНОЙ КОРЫ . Ш

5.1. Аппаратура и методика измерения электромагнитного

- 4 доля в радиовйлновом диапазоне частот

5.2. Выбор пунктов и создание сети стационарных станций на Алма-Атинском полигоне . \Ъ

5.3. Анализ структуры электромагнитного поля и методика выделения полезной информации . . ^

5.4. Результаты экспериментальных наблюдений за вариациями электромагнитного поля

Актуальность темы. Как известно, треть территории Советского Союза расположена в сейсмоактивных зонах, где происходят сильные землетрясения. Проблема их прогнозирования имеет важное народнохозяйственное значение. Она решается на базе комплексного изучения геологических и физических явлений, происходящих в недрах земной коры сейсмоактивных районов. С этой целью развиваются и совершенствуются как методы геофизических исследований на прогностических полигонах, так и теоретические представления о самом объекте изучения (очаге землетрясения) [ II, 25, 29, 63-65] и физических явлениях, которые могут возникнуть при формировании очага землетрясения. Особенно большое внимание в последнее время уделяется вопросу практического и теоретического изучения проблем, связанных с закономерностями формирования и возникновения аномальных возмущений в электромагнитном поле Земли, предшествующих и сопровождающих сильные землетрясения. В связи с этим изучаются и анализируются экспериментальные материалы по регистрации электромагнитных возмущений, сопровождающих процесс деформирования и разрушения горных пород в лабораторных и натурных условиях. Моделируются источники электромагнитных возмущений, которые могут образоваться в недрах Земли на конечной стадии формирования очага землетрясений.

Впервые описание электромагнитных явлений на основе современных достижений физики твердого тела, объясняющей процессы заряжения материала при его пластическом деформировании и хрупком разрушении, которые несомненно имеют место на заключительной стадии формирования очага землетряснния, было дано в работах А.А.Воробьева [15-17] . Дальнейшее развитие этот вопрос получил в работах М.Б.Гохберга и других [24-26, 112], в которых авторы, основываясь на современных представлениях о развитии очага землетрясения во времени и пространстве, выдвинули гипотезу о возможности формирования протяженных линейных или кольцевых токов, составленных из отдельных механоэлектричес-ких преобразователей (МЭП). Последние, возбувдаясь на заключительной стадии развития очага землетрясения (его разрушения), являются, по их мнению, мощными естественными генераторами электромагнитной энергии,' создающими на поверхности Земли аномалии в электромагнитном поле, наблюдаемые как визуально (различного рода световые эффекты), так и с помощью регистрирующей аппаратуры (аномалии в электротеллурическом поле, атмосферно-электрическом поле и электромагнитном поле на высоких частотах).

Но, как и во всякой только что развившейся отрасли науки перед исследователями возникает множество вопросов, требующих неотложного решения. Не известны, например, природа и закономерности возникновения электромагнитного излучения в горных порода^; не разработаны теоретические основы возбуждения электромагнитной энергии в глубинах земной коры и не ясны пути и способы вывода этой энергии на поверхность Земли; не изучены закономерности распределения электромагнитной энергии, выведенной на поверхность Земли и многие другие. Решение этих и других вопросов требует от исследователей совершенно нового подхода как к конструированию измерительной аппаратуры, так и теоретическому истолкованию наблюдаемых явлений.

Цель работы - аналитическое и экспериментальное исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород и изучение связи вариаций параметров электромагнитного поля с сейсмическими процессами в земной коре.

Основные задачи исследований: I. Изучить в лабораторных и натурных (шахтных) условиях закономерности формирования электромагнитной эмиссии при дефорщровании и разрушении горных пород. Оценить возможности возникновения аномалий в импульсном электромагнитном поле Земли, предшествующих сильным землетрясениям.

2. Разработать методику, регистрирующую аппаратуру и организовать сеть стационарных радиоволновых наблюдений за вариациями электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне.

3. Исследовать структуру электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне в сверхдлинноволновом диапазоне частот (СДВ).

4. Оценить возможность использования параметров электромагнитного поля (в радиоволновом диапазоне частот) при прогнозировании сильных землетрясений.

Фактический материал. Экспериментальные материалы по изучению электромагнитной эмиссии пород и руд в лабораторных и натурных исследованиях получены на установках, разработанных и сконструированных автором как в Сибирском филиале ЕНИМИ (всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела) при выполнении темы: "Изучить в шахтных условиях возможности использования электромагнитного излучения углей и пород для оценки их напряженного состояния" (J& гос.регистрации 76028058), так и на Алма-Атинском геофизическом полигоне при выполнении темы: 01.04 ГКНТ СМ СССР (й гос.регистрации 78039399). Обработка и интерпретация экспериментального материала, а также аналитические исследования проведены автором самостоятельно.

Научная новизна.

I. Разработана и сконструирована аппаратура, позволяющая регистрировать электромагнитную эмиссию пород как в лаборатор

- 8 ных, так и натурных исследованиях.

2. Изучены физические основы и аналитически оценены аномалии в электромагнитном поле на низких, средних и высоких частотах, предшествующие и сопровождающие разрушение горных пород.

3.- Для работы в непрерывном режиме в стационарных условиях разработаны аппаратура и методика наблюдений за вариациями электромагнитного поля на частотах радиоволнового диапазоне.

4. В наиболее сейсмоопасном районе Юго-Восточного Казахстана (Алма-Атинская область) создана сеть станций и изучены закономерности формирования вариаций электромагнитного поля.'

5. Выяснено, что метод ЭМИ в комплексе с другими геофизическими методами может быть использован при прогнозировании сильных землетрясений в условиях земной коры Юго-Восточного Казахстана.

Практическая ценность. Разработанные приборы и методики исследования внедрены в практику. Теоретические разработки существенно расширяют и дальше развивают существующие знания о природе и механизме возбуждения электромагнитных предвестников сильных землетрясений. Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты позволили разработать методику и создать в наиболее сейсмоопасном районе Юго-Восточного Казахстана разветвленную сеть непрерывно действующих станций ЭМИ.- С этих станций ежедневно в центр обработки передаются данные, которые используются при оперативной оценке сейсмической опасности прогнозной комиссией Института сейсмологии АН КазССР.

Защищаемые положения. Защищается совокупность экспериментальных и аналитических исследований выполненных по физическому обоснованию формирования и исполь- — зованию электромагнитного излучения пород при прогнозе сильных землетрясений. Она включает в себя:

- результаты по изучению закономерностей механоэлектро-магнитной эмиссии горных пород в лабораторных и натурных условиях в зависимости от их физико-механических характеристик и уровня напряженного состояния;

- результаты физического обоснования механизма возбуждения и передачи электромагнитных возмущений, предшествующих и сопровождающих сильные землетрясения, с глубин на поверхность Земли;

- результаты аналитических и экспериментальных исследований структуры и природы вариаций электромагнитного поля на Алма-Атинском прогностическом полигоне;

- результаты, показывающие перспективность применения электромагнитного метода в комплексе с другими при краткосрочном прогнозе ощутимых землетрясений в геолого-геофизических условиях, характерных для земной коры Юго-Восточного Казахстана и прилегающих регионов.

Аппробацяя работы. Основные результаты работы докладывались на У Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (г. Новосибирск, 1-3 июля 1975 г.):, на семинарах и совещаниях Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела (г. Ленинград, 1975-1977 гг.); на конференции молодых ученых, посвященной 60-летию Великого Октября (г. Кемерово, 1977); на семинарах отдела электроники твердого тела при проблемной лаборатории ЭДиП Томского политехнического института (г. Томск, 1977-1982 гг.); на семинарах Института сейсмологии АН КазССР (г.Алма-Ата, 1978-1983 гг.); на Всесоюзном совещании по прогнозу землетрясений (г. Алма-Ата, 1980 г.); на Все

- ю союзной сессии МСССС в г, Фрунзе (2-6 сентября 1981 г.); на конференции молодых ученых по проблеме освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбйнской области, посвященной 60-летию обрабования СССР (1982 г.0.;

Пу б л и к а ц и и . Основные результаты опубликованы в 8 статьях и тезисах.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения (список условных обозначений). Содержит -JB3 страниц машинописного текста в том числе

28 таблиц, Чб рисунков и список литературы из наименований.

В процессе выполнения работы автор пользовался консультациями и советами член-корреспондента АПН СССР А.А.Воробьева и доктора технических наук П.В.Егорова. Отдельные вопросы обсуждались с кандидатами технических наук: А.Н.Поляковым, В.А.Смирновым, В.М.Проскуряковым, инженерами: Н.М.Корнейчиковой, В.Ф.Гордеевым, В.В.Нестеровым, А.Ф.'Горелкиным, Т.Е.Нысанбае-вым, О.М.Белослюдцевым и кандидатом физико-математических наук А.'В.Бушуевым. При оформлении диссертации большую помощь оказали О.С.Васильева и О.В.Александрова. Всем этим товарищам автор выражает свою искреннюю признательность.

Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук А.К.Курскеева, которому автор благодарен.

- II

ВЫВОДЫ

Таким образом, аналитические расчеты показывают, что формирующиеся на конечной стадии развития "очага землетрясения", естественные генераторы электромагнитной энергии могут создавать при определенных условиях на поверхности Земли мощные аномалии в электромагнитном поле в радиоволновом диапазоне частот. Выяснено,что:

1. Характер распределения электромагнитной энергии, выведенной на поверхность Земли, сложен и, определяется в основном закономерностями изучения поверхностных источников, питаемых глубинными генераторами.'

2. Частотный спектр электромагнитного излучения сдвинут в область более высоких частот (выше I кГц).

З.1 Наиболее интенсивные аномалии в электромагнитном излучении должны наблюдаться в местах выхода на земную поверхность горных пород с высоким удельным сопротивлением ( р > I08 Ом»м), а также в центре волноводов.

В связи с этим возникают вопросы: наблюдаются ли подобные аномалии в реальных сейсмотектонических условиях? Каковы их закономерности? Возможно ли их использовать для решения задач сейсмологии и геодинамики?

Переходим к рассмотрению этих вопросов.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЯЗИ ВАРИАЦИЙ . ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СЕЙСМИЧНОСТЬЮ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Наблюдаемое вблизи земной поверхности электромагнитное излучение обусловлено суммарными полями: внешними (атмосферные помехи, грозовые явления, ионосферные шумы и т.д.) и внутренними. Выделение, полезного, с точки зрения сейсмологии, сигнала, исследование его связи с сейсмичностью и оценка возможности использования ЭМИ при прогнозировании сильных землетрясений, возникающих в сейсмотектонических условиях земной коры Северного Тянь-Шаня потребовало проведения определенного комплекса работ. К ним относятся :

1. Разработка и изготовление аппаратуры, пригодной для непрерывной регистрации (в области радиоволновой частоты) электромагнитного излучения;

2. Выбор пунктов и создание сети стационарных станций;

3. Исследование структуры импульсного поля и разработка методики подавления помех;

4. Изучение связи ЭМИ с сейсмичностью и с другими геофизическими явлениями.

5.1. Аппаратура и методика измерения электромагнитного поля в радиоволновом диапазоне частот

Для регистрации вариаций вертикальной составляющей магнитного поля Иг намй была разработана и сконструирована приемная радиоволновая станция (РВС), работающая а автоматическом режиме. Функциональная схема станции приведена на рис.' 5.1 а.

Станция состоит из двух частей: выносного зонда и регистрирующего устройства, включающего в себя усилитель, вольтметр ип ПУ

Виноснои зонд Г ип

ЧъР

Н У1 Н ПУ Н У2 к

АД усилитель

220 В 50Гц*~ вольтметр постоянного тока-(&-22) частотомер (43-22) транскриптор (<р-5023) цпм (зум-зз) блок аВтом. U питания I

О*

34 36

Рис. 5.1 Блок-схема радиоволновой станции (РВС) и полоса пропускания измерительного тракта

1,!А - магнитная антена, ИП - истоковый повторитель, ПУ, У1, У2 - каскады усиления, ЭП - зммитер-нш1 повторитель, ПФ - полосовой активный фильтр, ДД - амплитудный детектор, ЦПМ - цийропечатаю-лая глашинка постоянного тока, частотометр, транскриптор, цифропечатающую машинку и блок автоматики.:

Магнитная антена намотана на одном ферритовом сердечнике с магнитной проницаемостью /ict= 400 и настроена на частоту 35 кГц. Действующая высота антены Uq, = I м. Общий коэффициент передачи сигнала от магнитной антены к регистрирующему устройству, равен

Кмп ' Knv ' *эп= 0,7'20 • 0,6 «8 где : Кип, Кэп - коэффициенты передачи истокового и эммитер-ного повторителей, Knv- коэффициент уеиления предварительного усилителя.

С выхода выносного зонда, предварительно усиленный, электромагнитный сигнал поступает на вход усилителя регистрирующего устройства с коэффициентом усиления

Кип ' К* • Krw • Ку2 = 0,7*20* 1*15 = 210 где : к^ 1\У2 - коэффициенты усиления первого и второго каскадов усилителя, Кпф - коэффициент передачи активного полосового фильтра.

Далее через амплитудный детектор с коэффициентом передачи К/\д= 0,6 и делитель напряжения, собранный на сопротивлениях R^ и $2 сигнал поступает на вольтметр постоянного тока В2-22 и частотометр 43-22, работающий в режиме счета импульсов электромагнитного излучения. Канал по регистрации напряженности вертикальной составляющей магнитного поля отградуирован так, что показания вольтметра 100, 200 мВ соответствуют напряженности поля Нг = 0,027 и 0,053 мкА/м. Порого срабатывания канала по регистрации импульсов электромагнитного излучения составляет 5,3 мкА/м. Менее энергетичные импульсы не фиксируются. Полоса пропускания измерительного тракта показана на рис. 5.1 б.

Результаты по изучению влияния промышленных помех (электросварка, линия высокого напряжения) на результаты измерений приведены на рис. 5.2. Откуда видно, что при приближении на расстояние 100-400 м к подобным источникам уровень помех возрастает. Пожтому при установке станций выбирались места, где помехи подобного рода отсутствуют или удалены от выносного зонда на расстоянии одного киллометра. Для исключения или сведения к минимуму импульсных помех, передаваемых по цепи питания 220 В 50 Гц, применены развязывающие L~G фильтры и стабилизация питающего напряжения.

Получение информации на полигоне с помощью радиоволновых станций (РВС) производилось следующим образом. Магнитная ан-тена устанавливалась вертикально и закреплялась на твердом основании на высоте I м от поверхности Земли. Блок автоматики, входящий в состав станции, позволял ежечасно производить измерения и записывать на бумаге информацию в цифровом виде о напряженности вертикальной магнитной составляющей электромагнитного поля и числу электромагнитных импульсов, зарегистрированных в течение часа.

5.2. Выбор пунктов и создание сети стационарных станций на Алма-Атинском полигоне

Юго-Восток Казахстана охватывает обширную территорию, в пределах которой находятся такие крупные горные системы как Джунгарский Алатау, Кетмень, Заилийский Алатау, Кунгей Алатау, Кендыктас и Чу-Илийские горы, разделенные и обрамленные соизмеримыми по величине межгорными и предгорными впадинами (Алма-Атинская, Панфиловская, Северо-Джунгарская, Вкно-Прибал-хашская и др. ) [56]. Сейсмическая активность отдельных участков этого района неоднородна. В связи с этим необходимо было выбрать зоны или участки для первоочередной организации радиоволновых наблюдений за вариациями ЭМИ, Эта задача решена на основе анализа материалов сейсмотектонического районирования и карты основных сейсмогенных зон, составленной для территории Юго-Восточного Казахстана А.К.Курскеевым и А.В.Тимушем. [56]. Ими выяснено, что наиболее сильные землетрясения следует одикать в Алма-Атинской сейсмогенной зоне и Кунгей-Заилий-ской мегазоне (включает в себя Байсорун-Чиликскую, Северо-Кунгейскую, Чилик-Кеминскую зоны) (рис. 5.3).

Земная кора в пределах этих сейсмогенных зон интенсивно раздроблена тектоническими разломами, из которых наиболее активными и крупными являются: Алма-Атинский, Кемин-Ушконурс-кий, Чилик-Кеминский, Бай с ору н-Чиликский и Северо-Кунгейский [56]. С этими системами разломов были связаны крупнейшие землетрясения - Чиликское 1889 г. (М = 8,4, 30= 10-11 баллов), Кеминское I9II г. (М = 8,2, = 10-11 баллов), Верненское 1887 г. (М = 7,3, ;)0 = 9-10 баллов), которые ощущались на огромной территории (от I до 2,5 млн.кв. км) и сопровождались нарушениями земной поверхности (трещины, обвалы, оползни, обi рушения скал и т.п.)

Поэтому основной объем исследований сосредоточен на территории сейсмогенных зон и прилегающих к ним районов (см. рис. 5.3). Станции ЭМИ установлены на пунктах, где наряду с сейсмической службой проводятся непрерывные геофизические (геомагнитные, электротеллурические) и геодезические наблюдения.

5.2.1. Краткая геолого-геофизическая характеристика стационарных пунктов

Пункт "Или" (И) расположен в 70 км севернее г. Алма-Аты в пределах асейсмичной Алма-Атинской впадины (см. рис. 5.3), в центре Илийского синклинория, сложенного вулканогенными образованиями карбона, перми. В районе установки станции корен

Ш>. 5. Ъ Схема расположения пунктов стационарных РВС. 1-У - Сейсмогенные зоны с возможной"магнитудой землетрясений и их название (цифры в кружках): I - Кунгей-Заилийская, 2 -Алма-Атинская, 3 - Южно-Джунгарская, 4 - Кокшеельская, 5 -Кетменская, 6 - Басулытаусская, 7 - Кендыктасская, 8 - Кону* роленская; У1 - радиоволновые станции ( д - работающие по методу радиокип, 4 - работающие по методу радиокип и регистрирующие импудьсное электромагнитное излучение) ные породы погребены песком, мощность которого не превышает 15-20 м. Пункт характеризуется отсутствием на расстоянии 1,5-2 км помех промышленного типа (трансформаторы высокого напряжения, электродвигатели с искрящими контактами, электросварка и т.п.)

Пункт "Курметы" (К) расположен на стыке Байсорун-Чилик-ской и Северо-Кунгейской (Жаланашской) сейсмических зон, входящих в состав Кунгей-Заилийской мегазоны, вблизи узла пересечения одноименных глубинных разломов. Станция размещена на выходах гранитоидов ордовика, образующих центральную часть Кунгейского антиклинория. Район расположения станции характеризуется высокой сейсмической активностью. В радиусе 30 км от станции в прошлом возникали землетрясения с М?8 (Кеминское I9II г.). Земная кора здесь относится к переходному типу и характеризуется резким уменьшением мощности (Н) при переходе от Северо-Тяныпаньского мегаблока (Н^55-60 км) к Чиликскому (Н~45 км). В непосредственной близости от пункта "Курметы" проходит ось поперечного смещения морфоструктур. В районе станции с 1972 года наблюдается аномальное изменение скоростей вертикальных современных движений На станции "Курметы" отсутствуют промышленные помехи искрового типа. Кроме радиоволновых измерений на этой станции проводятся сейсмологические, геомагнитные и электротеллурические наблюдения. Здесь заложены профили высокочастотной нивелировки для определения скоростей вертикальных движений.

Пункт "Чилик" (Ч) расположен в 15 км юго-восточнее районного центра (Г.Чилик) в восточной части Алмаатинской сейсмоген-ной зоны в месте сочленения Илийской впадины с антиклинорием Заилийского Алатау. Станция размещена над чехлом, сложенным мезозой-кайнозойскими отложениями, мощность которых достигает

2 км. В несредственной близости от пункта проходит региональный Алмаатинский глубинный разлом, по которому сочленяются блоки преимущественного опускания (Алмаатинская впадина) и преимущественных поднятий (Северо-Тяныпаньский мегаблок),( Пункт расположен в зоне девятибалльных землетрясений. В 30-35 км южнее пункта находится эпицентр катастрофического Чиликского землетрясения 1889 г. Пункт характеризуется отсутствием промышленных помех. Кроме радиоволновых наблюдений на пункте "Чилик" организованы стационарные сейсмические, электротеллурические и геомагнитные наблюдения. В этом же районе имеются скважины, где отбираются гидрогеохимические и газохимические пробы.

Пункт "Т.ургень" (Т) совмещен с одноименной геофизической обсерваторией ИС АН КазССР, благодаря чему здесь существенно расширен комплекс стационарных наблюдений. Он включает в себя сейсмологические, деформографические, наклонометрические, гидрогеохимические наблюдения, а также наблюдения за вариациями геомагнитного и электротеллурического полей и метеофакторов. Станция расположена в блоке дифференцированных вертикальных движений, ограниченном глубинными сейсмогенными разломами -Алмаатинским, Кемин-Ушконерским. К последнему был приурочен эпицентр катастрофического Верненского землетрясения 1887 года. Обсерватория "Тургень" расположена в зоне Заилийского глубинного разлома, где вулканические образования нижнего карбона наиболее раздроблены и нарушены тектоническими движениями. Район обсерватории "Тургень" относится к зоне, в пределах которой возможны землетрясения с М=8 и в прошлом характеризовался высокой сейсмической активностью. В нескольких километрах от обсерватории имеются источники термальных вод. Кроме того, по данным [66]в районе обсерватории "Тургень" на площади около 3000 км2 в течение последних 9 лет наблюдается сейсмическое затишье, что может быть связано с подготовкой землетрясения с М ^7. На пункте установки станции отсутствуют промышленные помехи.

Пункт "Солнечный" (С) расположен в 15-20 км южнее г. Алма-Аты в пределах Чилик-Кеминской сейсмогенной зоны - в центральной части Заилийского антиклинория на выходах гранитов, возраст которых датируется как силур-девон. Пункт наблюдений заложен в блоке между Чилик-Кеминским и Кемин-Ушконурс-ким глубинными разломами и попадает в зону десяти-одиннадца-тибалльных сотрясений. Вокруг него в радиусе 15-20 км группируются эпицентры сильных (М>8) землетрясений - Верненское 1889 г., Кеминское I9II г., а также большое количество эпицентров крупных землетрясений с М>6. Таким образом, пункт заложен в зоне наивысшей сейсмической опасности. Кроме радиоволновых измерений здесь ведутся геомагнитные и электротеллурические наблюдения. Пункт характеризуется отсутствием промышленных помех искрового типа.

5.3. Анализ структуры электромагнитного поля и методика выделения полезной информации

В составе электромагнитного поля на частотах 10*40 кГц и выше, наряду с естественными электромагнитным излучением, формирующимся в недрах Земли на конечной стадии подготовки очага землетрясения, несомненно присутствуют мещающие сигналы как ествес.твенного, так и искусственного происхождения. Причем, первые обусловлены атмосферными или ионосферными возмущениями (гроза в атмосфере, магнитная буря в ионосфере), а вторые -работой различного рода передающих радиостанций (таблица 5.1). В зависимости от постановки задачи последние могут выступать пп

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное внимание в работе уделено экспериментальным и аналитическим исследованиям физической основы механизма формирования, распространения и обнаружения естественных электромагнитных сигналов, возникающих при деформировании и разрушении горных пород. Изучение этих вопросов проводилось с точки зрения научного обоснования возможности использования импульсного электромагнитного поля при прогнозе сильных землетрясений. К наиболее важным результатам относятся следующие.

1. Разработаны приборы и методы измерения электромагнитных сигналов (ЭМИ), генерируемых горными породами при их деформировании, вплоть до разрушения как в лабораторных, так и в естественных условиях их залегания. Лабораторными и натурными (шахтными) испытаниями установлено, что ЭМИ зависят от физико-механических свойств пород.

2. Установлено, что процесс формирования электромагнитного излучения отражает динамику зарождения и развития структурного разрушения пород. При этом процесс излучения ЭМИ носит импульсный характер: по мере перехода процесса разрушения с низшего энергетического уровня на более высокий энергетический уровень возрастают параметры ЭМИ (напряженность, число импульсов).

3. С учетом особенностей строения земной- коры сейсмоактивных районов Юго-Восточного Казахстана произведены аналитические расчеты по оценке величины электромагнитной энергии, выведенной на поверхность Земли от глубинных источников (очагов землетрясения). В качестве каналов транспортировки электромагнитной энергии приняты контакты между блоками, блоки, интрузивные тела, зоны разломов, трещины. Показано, что вынос на поверхность Земли электромагнитной энергии зависит от частоты электромагнитных сигналов и электрических свойств пород, служащих в качестве проводников и вмещающих последние.

4. Изучены закономерности изменения электромагнитной энергии, выделенной на поверхность Земли, в зависимости от различных факторов. Сделан вывод о том, что на фоне электромагнитного поля Земли могут наблюдаться аномалии в ЭМИ и атмосферных явлениях, проявляющиеся в виде световых эффектов.

5. Исследован вклад помех естественного и искусственного происхождения на результаты измерения ЭМИ. Предложена методика использования электромагнитного поля, создаваемого сверхдлинноволновыми радиостанциями, для выявления геоэлектрических неоднородностей, формирующихся в верхней части земной коры.

6. Разработаны и изготовлены приборы для регистрации в непрерывном режиме вариаций импульсного электромагнитного поля. Б наиболее сейсмоодасной части Юго-Восточного Казахстана создана стационарная сеть непрерывно действующих станций, Все станции оснащены однотипными приборами.

7. Получены экспериментальные материалы, свидетельствующие о связи вариаций ЭМИ с сейсмичностью земной коры.

8. Дальнейшие исследования необходимо направить на расширение сети радиоволновых станций и на переход с однокомпонент-ных на многокомпонентные измерения на различных частотах. Это повысит достоверность наблюдаемых аномалий.

1. Акулышн П.К., Ввланов С.Н. Основы теории электрической связи» 4.2. - М.: 1.60. - 220 с.

2. Александров М.С., Бакленева З.М., Гладштейн Н.Д. и др. флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СВД.1. М.: Наука, 1972. 195 с.

3. Альпин Л.М. Теория поля. М.: Недра, 1966. - 381 с.

4. Альпин Л.М. Практические работы по теории поля. М.: Недра, 1971. - 304 с.

5. Атабеков Г.И. Линейные электрические цепи. В кн.: Теоретические основы электротехники. 4.2. - М.: Энергия, 1978, с. 592

6. Баскаков С.И., Карташев В.Г., Лобов Г.Д. и др. Сборник задач по курсу "Электродинамика и распространение радиоволн". ; М.: Высшая школа, 1981. - 208 с.

7. Беляев Л.М., Набатов В.В., Мартышев Ю.К. 0 времени свечения в процессах трибо- и кристаллолюминисценции. Кристаллография. Т.7, № 4, 1962, с. 576

8. Бирфельд Я.Г. Об ионосферно-сейсмической связи и возможности использования ее для ионосферного прогнозирования землетрясений. В кн.: Поиски предвестников землетрясений на прогностических полигонах. - М.: Наука, 1974, с. 200

9. Бончковскии В.Ф. Изменение градиента электрического потенциала атмосферы, как один из возможных предвестников землетрясений. Тр. Геофиз. ин-та, J£ 25, 1954, с. 192

10. Барон Л.И., Логунов Б.М., Подин Е.З. Определение свойств горных пород. М.: 1962. - 342 с.11. £рейс В.Ф., Мячкин В.И., Дитрих Дж.Х., Соболев Г.А. Две модели объясенения предвестников землетрясений. В кн.:

11. Сборник Советско-Американских работ по прогнозу землетрясений.

12. T.I, 4.2, M. Душанбе, 1976, о. 9

13. Бронштейн й.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1980. -574 с.

14. Власков В.А., Мингалев B.C., Мизун Ю.Г., Уваров В.А. Решение уравнений баланса ионизации для условий авральной ионосферы. В кн.: Исследование по геомагнетизму и аэрономии авральной зоны. - I.: Наука, 1973, с. 169

15. Власова А.А., Джураев Р.У. и др. Макросейсмическое описание землетрясений. В сб.: Землетрясения Средней Азии и Казахстана 1979. - Душанбе.: Дониш, 1981, с, 38

16. Воробьев А.А.Физические условия залегания глубинного вещества и сейсмические явления. 4.1, Томск, 1974, - 270 с.

17. Воробьев А.А. Физические условия залегания глубинного вещества и сейсмические явления. 4.2, Томск, 1974. - 227 с.

18. Воробьев А.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества (Высокие электрические поля в земных недрах). Томск.: ТГУ, 1975. - 296 с.

19. Воробьев А.А. Накопление нарушении, повреждение структуры, нарушение минералов в горных пород. Томск, 1973.574 с.

20. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой твердых диэлектриков. М.: Высшая школа, 1966. - 224 с.

21. Гольд P.M., Марков Г.П.;, Могила П.Г., Самохвалов М.А. Импульсное электромагнитное излучение минералов и горных пород, подверженных механическому нагружению* Изв. АН СССР, Физика Земли, Ш 7, 1975, с. 43

22. Гордеев С.Г., Седельников Э.С., Тархов А.Г. Электроразведка методом радиокип. М.: Недра, 1981. - 132 с.

23. Гороздовский Т.Я. Рентгеновское излучение при взрывномном разрушении твердых тел. Письма в ЖЭТФ, Т.5, & 13, 1967, с. 178

24. Губкин А.И. Электреты. М.: Наука, 1978. - 212 с.

25. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., Добровольский И.Л. Источники электромагнитных предвестников землетрясений. ДАН СССР, Т. 250, № 2, 1980, с. 323

26. Гохберг М.Б., Гуйельд И.Л., Добровольский И.П., Нерсенов И.Л. Процессы подготовки, признаки и предвестники коровых землетрясений. Изв. АН СССР, Физика Земли, № 2, 1983, с. 59

27. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Аронов Е.Л. 0 высокочастотном электромагнитном излучении при сейсмической опасности. -ДАН СССР, Т. 248, № 5, 1979, с. 1077

28. Датченко Э.А., Уломов В.И., Чернышева С.П. Аномалии электронной плотности ионосферы, как возможный предвестник Ташкентского землетрясения. ДАН УзбССР, № 12, 1972, с. 48

29. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.Г. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1979. - 279 с.

30. Добровольский И.П. О модели подготовки землетрясений. -Изв. АН СССР, Физика Земли, № II, 1980, с. 23

31. Добровольский И,П., Зубков С.И., Мячкин В.И. Об оценке размеров зоны проявления предвестников землетрясений.

32. В сб.: Моделирование предвесников землетрясений. М.: Наука, 1980, с. 7

33. Добровольский И.П., Кушнир С.Г., Фридман В.Н. Теоретическое моделирование сейсмического просвечивания. В сб.: Моделирование предвестников землетрясений. - М.: Наука, 1980, с. 56

34. Евдокимов В.Д. Расчет и конструирование транзисторных радиоприемников. М.: Связь, 1972. - 215 с.

35. Егоров П.В., Коряейчиков В.П., Корнейчикова Н.М., Поляков А.Н. К прогнозу удароопасяости горных пород методом счета импульсного электромагнитного излучения. Сб.: Измерение напряжений в массиве горных пород. 4.2. - Новосибирск, 1975, с. 112

36. Егоров П.В., Корнейчиков В.П., Горелкин А.Ф. Метод бесконтактного прогноза динамических форм проявления горного давления. Труды ВНИМИ, J& НО, 1978, с. 35

37. Ержанов Ж.С., Курскеев А.К., Тимуш А.В., Чабдаров Н.М. Земная кора сейсмоактивных районов Казахстана. Алма-Ата.: Наука, 1981. - 232 с.

38. Заборовский А.И. Электроразведка. М.-М.: Гооуд. научно-технич.издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1943. - 444 с.

39. Зверева Е.В., Рязанов A.M., Шахсуваров В.М. и др. Изучение распространения электромагнитных волн в земной коре. -В кн.: Распространение радиоволн. М.: Наука, 1975, с. 312

40. Зеличенко А.С., Смирнов Б.И. Проектирование механической части воздушных линий сверхвысокого напряжения. М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.

41. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М.: 1957. - 483 с.

42. Казицин Ю.В., Рудник В.А. Руководство к расчету баланса вещества и внутренней энергии при формировании метасома-тических пород. М.: Недра, 1968. - 363 с,

43. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1977. -251 с.

44. Карасев В.В., Кротова Н.А., Дерягин Б.В. Исследование электронной эмиссии при отрыве пленки высокополимера от стекла в вакууме. ДАН ССОР. Т. 83, J& 5, 1953, с. 715

45. Кашировский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучам. М.: Связь, 1971. - 220 с.

46. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. - 311 с.

47. Кишш И. Исследование электрических эффектов, возникающих при локальном деформировании кристаллов . Кристаллография. Т.10, 1965, с. 890

48. Кобракова В.Н., Извеков Б.И., Пацевич С.Л., Шварцман М.Д. Определение петрофизических характеристик по образцам. М.: Недра, 1977. - 432 с.

49. Корн Г., Корн Т. Справочйик по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 831 с.

50. Корнейчиков В.П. К проблеме физики очага землетрясения. Тезисы докладов Всесоюзной сессии МСССС 2-6 сентября 1981 г. (Геолого-геофизические методы исследования в сейсмоопасных зонах). - Фрунзе, 1981, с. 66

51. Корнфельд М.И. Избыточные электрические заряды в ще-лочно-галюидных кристаллах. ФТТ, Т.10, № 8, 1968, с. 2422

52. Корнфельд М.И. Электризация ионных кристаллов при пластическом деформировании. ФТТ, Т.15, № 10, 1973, с.2435

53. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и Связь, 1981, - 280 с.

54. Кривицкий Б.Х. Справочник по радиоэлектронным системам. Ч. 2. М.: Энергия, 1979, - 368 с.

55. Курскеев А.К., Тимуш А.В. Основные принципы сейсмотектонического районирования. В кн.: Геолого-геофизические методы исследований в сейсмопасных зонах. - Фрунзе, 1981, с.67

56. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, В кн.: Теоретическая физика. Т.8. - М.: Наука, 1982, -620 с.

57. Ленди Р., Девис Д., Альбрехт А. Справочник радиоинженера. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 704 с.

58. Моделунг Э, Математический аппарат физики. М.: Наука, 1968. - 618 с.

59. Мамбетов Д.М. Исследование газового разряда в свежеобразованных монокристаллах, полученных при испарении раствора на металлической пластинке. ДАН СССР. Т. 171, № I, 1966,с. 143.

60. Мартышев Ю.К. Исследование свечения и электризации кристаллов при их деформировании. Кристаллография. Т.10, & 2, 1964, с. 224

61. Мирзобаев Х.М., Киняпина Т.А. и др. Макросейсмичес-кое описание землетрясений. В сб.: Землетрясения Средней Азии и Казахстана 1980. - Душанбе: Дониш, 1982, с. 46

62. Мячкин В.И. Качественные теории подготовки землетрясения. В кн.: Процессы подготовки землетрясений. - М.: Наука, 1978, с. 58

63. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г.

64. Лабораторные и теоретические исследования процесса подготовки землетрясений. Изв. АН СССР, Физика Земли, № 10, 1974,с.107

65. Мячкин В.И. Физические основы прогноза землетрясений. Земля и Вселенная, № 6, 1978, с. 15

66. Нерсесов И,Л., Нурмагамбетов А., Сыдыков А. О долгосрочном прогнозе сильных землетрясений на Северном Тянь-Шане. -ДАН СССР. Т. 250, № 6, 1980» с. 1352

67. Овчинников И.К. Теория поля. М.: Недра, 1971. - 312 с.

68. Остропико П.А., Антоненко Э.М., Атрушкевич П.А. Опыт изучения современных движений земной коры в Приалмаатинском сейсмическом районе. В кн.: Современные движения земной коры (исследования на геодинамических полигонах). - Новосибирск, 1978, с. 74

69. Пархоменко Э.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и температурах. М.: Наука, 1972. - 279 с,

70. Пархоменко Э.И., Мартышев Ю.Н. Явление электризациии свечения минералов в процессе деформирования и разрушения. -В кн.: Физика очага землетрясения. М.: Наука, 1975, с. 151

71. Перельман М.Е., Хатиашвили Н.Г. Генерация электромагнитного излучения при колебаниях двойных электрических слоев и его проявление при землетрясениях. ДАН СССР. Т. 271, № I, 1983, с. 80

72. Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. М.: Недра, 1971. - 224 с.

73. Петухов И.М. Горные удары на угольных шахтах. М.:1. Недра, 1972. 158 с.

74. Петухов И.М., Линьков A.M.-, Сидоров B.C., Фельдман И.А. Теория защитных пластов. М.: 1976. - 215 с.

75. Прибытков Н.В. Необычная гроза перед землетрясением.

76. Природа, № 4, 1973, с. 122

77. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Наука, 1968. - 108 с.

78. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. -560 с.

79. Рязанов A.M., Щабельников А.В. Распространение радиоволн в земной коре, РЭ, Т. 10, ii II, 1965, с. Ц

80. Садовский М.А., Соболев Г.А., Мигунов Н.М. Изменение естественного излучения радиоволн при сильном землетрясении в Карпатах. ДАН СССР. Т. 244, J& 2, 1979, с. 318

81. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1982. - 436 с.

82. Смирнов В.А., Проскуряков В.М., Морозов Г.Д., Минин Ю.Я., Корнейчиков В.П., Горелкин А.Ф. Методы и аппаратура для прогноза горных ударов. Ж. Безопасность труда в промышленности. № 8, 1977, с. 35

83. Соболев Г.А., Демин В.М. Механоэлектрические явления в Земле. М.: Наука, 1980. - 215 с.

84. Соболев Г.А., Кольцов А.В. Исследование систем и иерархии трещин в процессе подготовки разрушения образцов горной породы. В сб.: Физика очага и предвестники землетрясений. № 47-82 Деп. - М., 1981, с. 87

85. Справочник радиолюбителя. Малогабаритная радиоаппаратура. Киев: Наукова думка, 1976. - 560 с.

86. Справочник геофизика, физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). М.: Недра, 1976. ■ 527 с.

87. Справочник физических констант горных пород. М.: Мир, 1969. - 542 с.

88. Тархов А.Г. Справочник геофизика. Электроразведка, Т.З. М.: 1963. - 582 с.

89. Тархов А.Г. Основы геофизической разведки методом радиокип. М.: Госгеолиздат, 1961. - 214 с.

90. Тархов А.Г. Справочник геофизика. Электроразведка. -М.: Недра, 1980. 518 с,

91. Телфорд В.М., Гедцарт Л.П., Шерифф Р.Е., Кейс Д.А. Прикладная геофизика. М.: Недра, 1980. - 502 с.

92. Тюрикова Л.А., Кротова Н.А., Авельбух Б.Г. Генерирование адгезионных связей. В кн.: Механоэмиссия и механохимия твердых тел. - Фрунзе: Илим, 1974, с. 107

93. Уломов В.И. Световые эффекты и электрические явления. -В кн.: Ташкентское землетрясение 1966 г. Ташкент, ФАН, 1971, с. 182.

94. Урусовская А.А. Электрические эффекты при деформации ионных кристаллов. УФН, Т. 96, № I, 1968, с. 33

95. Фейман Р., Лейтон Р., Сэвдс М. Электродинамика.

96. В кн.: Феймановские лекции по физике. Т. 6. М.: Мир, 1966. -343 с.

97. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. - 359 с.

98. Финкель В.М. Физика разрушения, М,.: Металлургия, 1974. - 311 с.

99. Хатиашвили Н.Г. Сб.: Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. Тбилиси, 1974,-с. 34

100. Хатиашвили Н.Г. К механизму экстремума электрическогопотенциала при деформации кристаллов . Сообщения АН Грузинской ССР. Геофизика. Т. 77, $ 2, 1975, с. 353

101. Хатиашвили Н.Г., Перельман М.Е. Электромагнитное излучение при трещинообразовании и хрупком разрушении твердых тел.

102. Сообщения АН Грузинской ССР, Геофизика. Т. 99, Ш, 1980, с.357

103. Хатиашвили Н.Г. Электромагнитное излучение ионных кристаллов, стимулированное акустической волной. Письма в ЖТФ АН СССР. Т. 7. - Л., 1981, с. 1128

104. Хатиашвили Н.Г., Гогошидзе Д.А., Зилпимиани Д.О., Перельман М.Е. Сб.: Физические свойства горных при высоких давлениях и температурах для задач сейсмологии. Ташкент, 1981, с. 47

105. Хатиашвили Н.Г. О связи акустического и электромагнитного излучения при разрушении твердых тел. Тезисы докладов Всесоюзного научного совещания: "Электроимпульсная технологияи электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах". Томск, 1982, с. 149

106. Хатиашвили Н.Г., Перельман М.Е. Генерация электромагнитного излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы. -ДАН СССР, Т. 263, Ы, 1982, с. 839

107. Хатиашвили H.D., Гогошидзе Д.А., Зилпимиани Д.С. Об электромагнитном излучении при подготовке землетрясений и горных ударов в шахтах Ткибули. Сообщения АН Грузинской ССР, Т. ПО, Щ, 1983, с. 305

108. Хмелевский В.К. Основной курс электроразведки. 4.2, -М.: МГУ, 1971. 272 с,

109. Хомич В.И., Приемные ферритовые антены. -М., -Л., Госэнергоиздат. 1963. -153 с.

110. Хусамидцинов С.С. Изучение импульсного электромагнитного поля Земли и свойств ионосферы в связи с сейсмичностью.- Диссерт.кавд. физико-математических наук. Ташкент, Институт сейсмологии АН УзбССР, 1980. ~ 195 с.

111. Чернявский Е.А. Электрическая буря. Бюлл. САГУ, № 10, 1965, с. 157

112. ПО. Шаманская Т.А.: Исследование стреляния горных пород и разработка мер борьбы с ними на рудниках горной Шории. Диссерт. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Прокопьевск, 1970. 187 с.

113. Шевцов Г.И., Мигунов Н.И., Соболев Г.А., Козлов Э.В. Электризация полевых шпатов при их деформировании и разрушении.- ДАН СССР, Т. 225, В 2, 1975, с. 313

114. Электромагнитные предвестники землетрясений. М.: Наука, 1982. - 89 с.'

115. И6. Grifjiih A.A. Tke theory of rupture. Proc. Ft rat 3nUr.y CoKjres Appt. Mec h. fietfi.,19ВЧ, p. 55

116. H7. Mojl K. Source £oiation& oj ziasiicskoks £ne ike frociuring process in rocks.butt. Seismot. Soc. jfafan., V. ЧЬ, №5, /568, p. 57- -1&Э•Н8. 5cko^H С.Н. exjoe^Lmtntai study of bh<> tke JWbrnnj process in ЫШ* rock. <?eo/>ky<r.