Наука и технологические разработки: статья

ТЕПЛОВОЙ МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ: ЧИСЛЕННЫЕ ОЦЕНКИ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В.А. Новиков 1,2 Д.С. Кульков 3 С.В. Паров 3 И.П. Горынин 3
1 Объединенный институт высоких температур РАН
2 Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН
3 Научная станция РАН
Журнал: Наука и технологические разработки
Том: 102
Номер: 2-3
Год: 2023
Страницы: 89–112
УДК: 550.37+550.34+001.891.57
DOI: 10.21455/std2023.2-3-4
Ключевые слова: электромагнитное инициирование землетрясений, джоулев нагрев флюида, внутрипоровое давление, триггерный эффект
Аннотация: Несмотря на большой объем выполненных полевых экспериментов и наблюдений, а также лабораторных исследований, подтвердивших существование электромагнитного инициирования землетрясений, физический механизм этого явления до сих пор не выяснен, что сдерживает его практическое использование в целях снижения сейсмической опасности, как в части искусственной электромагнитной разрядки тектонических напряжений, так и в части краткосрочного прогноза землетрясений при электромагнитном триггерном воздействии сильных вариаций естественного геомагнитного поля на очаг землетрясения. В данной работе рассмотрена предложенная ранее гипотеза теплового триггерного механизма воздействия электрического тока на пористую флюидонасыщенную горную породу, когда джоулев нагрев флюида (минерализованной воды) в порах и трещинах приводит к росту внутрипорового давления и снижению эффективной прочности горной породы. Численными оценками протекания тока в пористой флюидонасыщенной среде показано, что повышение температуры флюида и, как следствие, его давления в порах составляет несколько процентов, что может объяснить триггерный эффект воздействия электрического тока, когда геосреда находится в напряженно-деформированном состоянии, близком к пределу прочности горных пород. Данные результаты подтверждены в экспериментах на одноосном прессе с цилиндрическими образцами из искусственного песчаника и мрамора в форме прямоугольного параллелепипеда квадратного сечения с различной пористостью. Численные оценки и лабораторные эксперименты показывают, что гипотеза о тепловом триггерном воздействии электрического тока на горные породы может быть принята в качестве рабочей для дальнейшей проработки в условиях лабораторных экспериментов на прессе и пружинноблочной модели сейсмогенного разлома с целью определения пороговых значений уровня сдвиговых напряжений и величины электрического тока в модельном разломе, приводящих к триггерному эффекту.
Список литературы: Авагимов А.А., Зейгарник В.А., Окунев В.И. Динамика знергообменных процессов в модельных образцах при воздействии упругим и электромагнитным полями // Физика Земли. 2011. № 10. С.64–70.

Анцыферов М.С. Электросейсмический эффект // Докл. АН СССР. 1962. Т. 144, № 6. С.1295– 1297.

Балбачан М.Я., Томашевская И.С. Эффект изменения прочности горных пород в результате механоэлектризации // Докл. АН СССР. 1987. Т. 296, № 5. С.1085–1089.

Величко А.А., Филимонова Н.И. Методы исследования микроэлектронных и наноэлектронных материалов и структур. Часть II. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2014. С.215–217.

Закупин А.С., Боровский Б.В. Рычажная установка для статических и динамических испытаний материалов в условиях одноосного сжатия: Патент Российской Федерации RU 2542639 C2. Дата публикации: 20.02.2015 г.

Зейгарник В.А., Авагимов А.А., Тарасов Н.Т. Можно ли управлять землетрясениями? // Наука в России. 1999. № 2. С.16–21.

Зейгарник В.А., Конев Ю.Б., Новиков В.А. Тепловое действие мощного тока на флюидонасыщенные пористые среды // Tриггерные эффекты в геосистемах: Материалы Всероссийского семинара-совещания, Москва, 2010 г. / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. М: ГЕОС, 2010. С.202–209.

Зейгарник В.А., Ключкин В.Н., Окунев В.И. Влияние электрического тока на акустический от- клик механически нагруженных образцов искусственного песчаника // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 3. С.199–208.

Зейгарник В.А., Богомолов Л.И., Новиков В.А. Электромагнитное инициирование землетрясений: Полевые наблюдения, лабораторные эксперименты и физические механизмы (Об- зор) // Физика Земли. 2022. № 1. С.35–66. https://doi.org/10.31857/S0002333722010100

Лапшин В.Б., Патонин А.В., Пономарев А.В., Потанина М.Г., Смирнов В.Б., Строганова С.М. Инициация акустической эмиссии в обводненных образцах песчаника // Докл. Академии наук. 2016. Т. 469, № 1. С.97–101. https://doi.org/10.7868/S0869565216190191

Мухамедиев Ш.А. Предотвращение сильных землетрясений: реальная цель или утопия // Физика Земли. 2010. № 11. С.49–60.

Новиков В.А., Сорокин В.М., Ященко А.К. Может ли солнечная вспышка инициировать земле- трясение? // Вестник ОИВТ РАН. 2019. Т. 3, № 2. С.15–21. https://doi.org/10.33849/2019203

Рыбин А.К., Забинякова О.Б., Баталева Е.А., Непеина К.С. Геоэлектрическая модель зоны Иссык-Атинского разлома (Северный Тянь-Шань) // Геофизика. 2023. № 3. С.45–50. https://doi.org/10.34926/geo.2023.35.22.006

Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М.: РАН, 2020. 412 с.

Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // Докл. Академии наук. 1997. Т. 353, № 4. С.542–545.

Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В., Авагимов А.А., Зейгарник В.А. Воздействие мощных электромагнитных импульсов на сейсмичность Средней Азии и Казахстана // Вулканология и сейсмо- логия. 1999. № 4–5. С.152–160.

Тренькин А.А. Возможное влияние теллурических токов на сейсмичность земной коры в сейсмоактивных областях // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. T. 55, № 1. C.139–144. https://doi.org/10.7868/S0016794015010113

Ярославский М.А., Капустян Н.К. О возможности электросейсмического эффекта // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315, № 2. С.352–354.

Cao S., Neubauer F. Graphitic material in fault zones: Implications for fault strength and carbon cy- cle // Earth Sci. Rev. 2019. V. 194. P.109–124. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.05.008

Duma G., Ruzhin Yu. Diurnal changes of earthquake activity and geomagnetic Sq-variations // Nat.

Haz. Earth Syst. Sci. 2003. V. 3, Iss. 3/4. P.171–177. https://doi.org/10.5194/nhess-3-171-2003

Gomberg J., Beeler N.M., Blanpied M.L., Bodin P. Earthquake triggering by transient and static de- formations // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, Iss. B10. P.24411–24426. https://doi.org/10.1029/ 98JB01125

Marchitelli V., Harabaglia P., Troise C., De Natale G. On the correlation between solar activity and large earthquakes worldwide // Sci. Rep. 2020. V. 10. Art. 11495. https://doi.org/10.1038/s41598- 020-67860-3

Niccolini G., Borla O., Lacidogna G., Carpinteri A. Correlated fracture precursors in rocks and ce- ment based materials under stress // Acoustic, Electromagnetic, Neutron Emissions from Fracture and Earthquakes / Eds. A. Carpinteri, G. Lacidogna, A. Manuello. Springer, 2015. P.237–248. https://doi.org/10.1007/978-3-319-16955-2_16

Novikov V., Novikova E. Electromagnetic stimulation of fluid migration into fault area and earthquake triggering phenomena // Geophys. Res. Abstr. EGU General Assembly 2014, Vienna, 27 April – 2 May 2014. Abstr. 12790.

Novikov V., Zeigarnik V., Konev Yu., Rickman V. Electric triggering of crack formations in the fault for release of tectonic stresses // Eos Trans. AGU. 2009. V. 90, Iss. 52. Abstr. S51C-1447.

Novikov V.A., Okunev V.I., Klyuchkin V.N., Liu J., Ruzhin Yu.Ya., Shen X. Electrical triggering of earthquakes: Results of laboratory experiments at spring-block models // Earthq. Sci. 2017. V. 30, Iss. 4. P.167–172. https://doi.org/10.1007/s11589-017-0181-8

Novikov V., Ruzhin Yu., Sorokin V., Yaschenko A. Space weather and earthquakes: Possible triggering of seismic activity by strong solar flares // Ann. Geophys. 2020. V. 63, N 5. Art. PA554. https://doi.org/10.4401/ag-7975

SEM Tescan Vega 3 LMH. Technical Specifications. URL: https://atomikateknik.com/uploads/ products/vega-3-18.pdf [Access date: 09.12.2022].

Shapiro S.A., Patzig R., Rothert E., Rindschwentner J. Triggering of seismicity by pore-pressure perturbations: Permeability-related signatures of the phenomenon // Thermo-Hydro-Mechanical Coupling in Fractured Rock / Ed. H.J. Kümpel. Basel: Birkhäuser, 2003. P.1051–1066. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-8083-1_16

Sobolev G.A. Seismicity dynamics and earthquake predictability // Nat. Haz. Earth Syst. Sci. 2011.

V. 11, Iss. 2. P.445–458. https://doi.org/10.5194/nhess-11-445-2011

Sobotka J. DC-induced acoustic emission in saturated sand models of sedimentary rock // Acta Geo- physica. 2010. V. 58, Iss. 1. P.163–172. https://doi.org/10.2478/s11600-009-0046-1

Sorokin V., Yaschenko A., Mushkarev G., Novikov V. Telluric currents generated by solar flare radiation: Physical model and numerical estimations // Atmosphere. 2023. V. 14, Iss. 3. Art. 458. 20 p. https://doi.org/10.3390/atmos14030458