ПРИРОДНЕ ІМПУЛЬСНЕ ЕЛЕКТРОМАГНЕТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ

Метод природного імпульсного електромагнетного поля Землі (ПІЕПЗ) ґрунтується на ефекті генерації гірськими породами електромагнетних імпуль-сів частотою 21–50 кілогерц під дією механічних напружень, відкритому А. А. Воробйовим наприкінці 60-х років XX ст. Подальше дослідження цього ефекту (Л. А. Защинський, В. Н. Саломатін, А. П. Барс, Л. А. Стрєлков, Д. Н. Лящук та ін.) привело до створення відповідного методу, який дає змогу визначати на­явність макро- і мікропорушеннь, зон тріщинуватості в гірських породах чи ін­ших матеріалах з кристалічними зв'язками, що можуть мати різну природу: літостатичний тиск, тектонічні сили, гідродинамічні і структурні тиски, а також техногенні порушення рівноважного стану. Дослідження свідчать, що причи­нами виникнення імпульсного електромагнетного поля можуть бути:

трибоелектризація поверхонь зерен породи внаслідок тертя (трибоефект);

ефект Степанова – електризація зерен неп'єзоелектриків під час пластич-них деформацій;

стрімка зміна потенціалів фільтрації (Гельмгольца) внаслідок розривання капілярів;

стрімке порушення подвійних електричних шарів, що утворюються на поверхні поділу твердої і рідкої фаз під час поширення пружних коливань (акустичний ефект).

Природні імпульсні електромагнетні поля Землі виявляються у вигляді окремих імпульсів тривалістю 10^-7–10^-3 с, електрична амплітуда яких – І0^-5–10^-3 А/м, а магнетна – 10^-7–10^-3 нТс. Кількість імпульсів за 1 с – від одиниць до десятків тисяч залежно від інтенсивності порушень структурних зв'язків у по­роді чи іншому матеріалі.

Явища випромінювання гірськими породами електромагнетної енергії під дією механічних напружень спостерігають на ранніх прихованих стадіях мікродеформацій під час збільшення і релаксації напружень у породах чи будівельних конструкціях. У цьому випадку виконані у різний час параметричні вимірювання природного імпульсного електричного поля дають змогу визначати активізацію процесу деформації гірських порід чи споруд, прогнозувати розвиток геодинамічних явищ: осувів гірських порід, обвалів стінок кар'єрів, утво-рення тріщин тощо.

Вимірювання проводять за допомогою радіохвильового індикатора напружено-деформованого стану РХІНДС-П-03, що розроблений і виготовлений дослідним виробництвом ЗУГРЕ і від інших приладів подібного призначення відрізняється вузькою спрямованістю антени, можливістю реєстрації електромагнетних імпульсів (ЕМІ) у широкому (1–50 кГц) діапазонах частот, високою чутливістю і надійністю у роботі. Зокрема, вузька спрямованість антени дає змогу виконувати понаддетальні профільні вимірювання з кроком спостережень 0,5 м, що робить прилад практично неза-мінним під час визначення стану інженерних споруд, а наявність різних діапа-зонів частот – виконувати глибинне зондування геологічних об'єктів

Можливості застосування методу природного імпульсного електромагне-тного поля дуже різноманітні. Наприклад, на підставі досвіду роботи різних організацій його успішно можна застосовувати для такого:

виділення і трасування динамічно активних тектонічних порушень у вер-хній частині розрізу (неотектоніка);

дослідження сейсмічне активних зон з метою прогнозування землетрусів;

визначення напружено-деформованого стану масивів гірських порід у межах шахтних полів, на ділянках розвитку карсту, прогнозування можливих геодинамічних явищ (осувів, обвалювань, гірничих ударів тощо);

вирішення інженерно-геологічних завдань для обґрунтування ділянок, в межах яких можливе будівництво складних інженерних споруд та житлових будинків;

дефектоскопія будинків, споруд та окремих їхніх елементів (прогнозу-вання зон знещільнення у фундаментах, стінах, перекриттях).

Перераховані завдання переважно з успіхом вирішують за допомогою ра-діохвильового індикатора напружено-деформованого стану РХІНДС-П-03, що розроблений і виготовлений дослідним виробництвом ЗУГРЕ, а від інших при-ладів подібного призначення відрізняється вузькою спрямованістю антени, мо-жливістю реєстрації електромагнетних імпульсів (ЕМІ) у широкому (1–50 кГц) і вузькому діапазонах частот, високою чутливістю і надійністю у роботі. Зокре-ма, вузька спрямованість антени дає змогу виконувати понаддетальні профільні вимірювання з кроком спостережень 0,5 м, що робить прилад практично неза-мінним під час визначення стану інженерних споруд, а наявність різних діапа-зонів частот (2–50 кГц) – виконувати глибинне зондування геологічних об'єктів.

Незалежно від мети досліджень натурні спостереження загалом виконують трьома методами: вздовж окремих профілів, по площі і глибинних зондувань, хоча у більшості випадків під час польових робіт використовують комбінації цих методів. Наприклад, для виділення і трасування розривних дислокацій найдоцільніше об'єднувати спостереження по площі з глибинними зондуван-нями. В цьому випадку напруженість поля на кожному пікеті вимірюють у ву-зьких (2; 5; 12,5; 17 кГц) і широкому (2–50 кГц) діапазонах частот. Це дає змогу трасувати лінійні зони тріщинуватості і зміни фізико-механічних властивостей як по латералі, так і по вертикалі.

Під час досліджень структури і напруженого деформаційного стану порід між гірничими виробками, а також фундаментів стін чи інших елементів буді-вельних конструкцій доцільне використання профільного варіанта спостере-жень у комплексі з зондуваннями в окремих пунктах, оскільки в цьому випадку можна одержати найдетальнішу інформацію про геодинамічний стан об'єкта. Та якщо бракує часу, то можна обмежитися тільки профільними спостереженнями у широкому діапазоні частот.

Досвід робіт у різних умовах свідчить, що репрезентативна кількість по-одиноких вимірювань на кожному пункті спостережень повинна бути не менше 10–15 відліків з інтервалом 1 с на кожному пункті, що забезпечує можливість статистичного опрацювання матеріалів і дає змогу отримати достовірні екстре-мальні значення поля на цьому пікеті.

Щільність пунктів спостереження під час знімання по площі і крок між пунктами на профілі зумовлені завданням, яке необхідно вирішувати, і ступенем детальності робіт. Рекомендовані співвідношення між мірилом знімання і кроком спостереження, такі:

Мірило знімання : 1:10 000 1:5000 1:2000 1:1000 1:500 1:100

Максимальний крок 50 25 10 5 2,0–2,5 0,5–1,0

спостереження, м

Безпосередньо натурні спостереження виконують у такій послідовності. За наявності двох приладів одним із них вимірюють напруженість поля ЕМІ на профілях, а іншим – систематично з однаковим інтервалом часу (наприклад, 10–15 хв) спостерігають зміни поля на контрольному пункті (КП) у широкому діапазоні частот протягом усього робочого дня. Зіставлення матеріалів вимірю-вань по площі (профілю) з одержаними на КП дає змогу в процесі опрацювання вилучити хибні аномалії, зумовлені атмосферними (космічними) перешкодами. Кожний день перед початком роботи і після її завершення покази обох приладів звіряють на КП.

У випадку наявності тільки одного приладу КП розміщують на одному з профілів (переважно в середній частині ділянки), з якого починають вимірю-вання і на який періодично повертаються протягом робочого дня для контрольних вимірювань.

Досвід свідчить, що найсуттєвішими параметрами ЕМІ поля , які визначають структурні і геомеханічні особливості об'єктів, є мінімальні значення на-пруженості поля I_min у певному пункті і середньоквадратичне відхилення σ_і – показник динамічності електромагнетного поля. С певною степінню достовірності середньоквадратичне відхилення можна замінити відносним показником динамічності, який обчислюють як відношення розмаху зареєстрованих величин у певному пункті до їхнього мінімального значення :

(2.28)

За матеріалами азимутальних вимірювань розраховують вектор максима-льної інтенсивності потоку ЕМІ. Для цього обчислюють різниці інтенсивностей поля для північної і південної орієнтацій антени (Δā₁) та східної і західної (Δā₂). За цими матеріалами на підставі наведених нижче формул обчислюють квад­рант і азимут максимального вектора поля та його значення:

, (2.29)

Отже, стан об'єкта загалом можна схарактеризувати такими трьома ста-тистичними генеральними сукупностями: показниками напруженості I_min динамічності σ, спрямованості вектора поля а і а_mах. Значення параметрів, які входять у межі довірчих інтервалів, утворюють фон, а ті, які виходять, – локальні аномалії..

За одержаними матеріалами будують графіки (у випадку спостережень на окремих профілях) чи карти ізоліній (у випадку спостережень по площі) і діаграми векторів імпульсного електромагнетного поля. Ці матеріали є підґрунтям для інтерпретації і висновків про структурні особливості об'єкта досліджень.

На картах напруженості й динамічності виділяють і простежують осі аномалій великих та малих значень, градієнтні зони тощо, внаслідок чого об'єкти вдається розділити на окремі ділянки, які мають певні особливості, притаманні тільки їм.

Інтерпретацію виконують на підставі наведеної нижче схеми, яка враховує різні варіанти сполучення поля ЕМІ, проте може змінюватися залежно від конкретних літолого-петрографічних, геомеханічних та інших властивостей досліджуваного об'єкта (табл. ).

Таблиця.2.2

Схема варіантів сполучення поля ЕМІ

Можливості застосування методу природного імпульсного електромагне-тного поля дуже різноманітні. Наприклад, на підставі досвіду роботи різних організацій його успішно можна застосовувати для такого:

виділення і трасування динамічно активних тектонічних порушень у вер-хній частині розрізу (неотектоніка);

дослідження сейсмічно активних зон з метою прогнозування землетрусів;

визначення напружено-деформованого стану масивів гірських порід у межах шахтних полів, на ділянках розвитку карсту, прогнозування можливих геодинамічних явищ (осувів, обвалювань, гірничих ударів тощо);

вирішення інженерно-геологічних завдань для обґрунтування ділянок, в межах яких можливе будівництво складних інженерних споруд та житлових будинків;

дефектоскопія будинків, споруд та окремих їхніх елементів (прогнозу-вання зон знещільнення у фундаментах, стінах, перекриттях);

вивчення забруднення ділянок нафтопродуктами.

Конкретні приклади вдалого вирішення геологічних задач методом ПІЕПЗ (природного імпульсного електромагнетного поля Землі) наведені на рис 39-40)–

Рис. 39. Схеми напруженості ІЕМП і результатів стану південного фасаду церкви св. Антипія у Москві (за матеріалами А. П. Барса):

1 – ізолінії напруженості ІЕМП, імп/с; 2 – інтенсивний розвиток мікротріщинуватості; 3 – низьконапружений стан; 4 – високонапружений стан; 5 – розвиток мікротріщин

Рис. 40. Виділення ділянок забруднення нафтопродуктами за матеріалами ПЕМПЗ (КременчуцькийНПЗ, матеріали Придніпровської ГРЕ):

1 – графіки напруженості горизонтальної складової ІЕМП; 2 – графіки напруженості вертикальної складової ІЕМП; 3 – графіки динамічності горизонтальної складової ІЕМП; 4 – спостережні свердловини: а – чисті, б – забруднені; 5 – забруднені ділянки

І назавершення підкреслимо, що найефективнішеметод ПІЕПЗ вживати у тихвипадках, колиі дослідження необхідно виконуватив стислі терміни і в умовах підвищеної небезпеки.