НЕЛИНЕЙНЫЕ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Механоэлектромагнитные преобразования в горных породах происходят при разной степени насыщенности среды механической энергией. При применении теории Онзагера для объяснения сейсмоэлектрических эффектов обычно пренебрегается влиянием градиентов температуры, концентрации растворенных веществ и обратным влиянием вторичного электрического поля на упругое. Последнее может приводить к видимому нарушению линейных законов, связывающих электрические (закон Ома) и упругие (закон Гука) величины. Наличие неоднородностей на всех масштабах рассмотрения среды, согласно концепции академика М.А. Садовского, приводит к возможности существования в ней «быстрых» вторичных электромагнитных волн. При наличии пор малых размеров, сопоставимых с толщиной диффузной части двойного электрического слоя, возможно возникновение нормальной к его поверхности составляющей электрического поля. Для объяснения комбинационных гармоник и параметрического резонанса как нелинейных явлений рассмотрена модель частично заполненной флюидом поры. В таком случае возможна модуляция упругим воздействием электрических параметров. Определены условия экспериментального наблюдения связанной с этим нелинейности. Сформулированы три критерия нелинейности с точки зрения экспериментально определяемых параметров: «амплитудная» нелинейность, «аддитивная» нелинейность и «нарушение» закона Ома. Определены управляющие параметры, типы возбуждающих сигналов и соответствующие проявления нелинейностей.


Для цитирования: Казначеев П. А., Камшилин А. Н. Нелинейные механоэлектрические преобразования в пористых средах: теоретические предпосылки // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2019. – № 7. – С. 83–103. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-07-0-83-103.


Благодарность: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00698 (поиск возможных источников нелинейности и определение способов ее исследования, частично — обзор литературы, постановка задачи и обоснование подхода) и в рамках гос. задания ИФЗ РАН по теме № 0144-2014-0096.

Ключевые слова

Горные породы, механоэлектрические преобразования, сейсмоэлектрический эффект, электромагнитные явления в материальных средах, пористая среда, нелинейность.

Номер: 7
Год: 2019
ISBN: 0236-1493
UDK: 550.371.5 + 537.867 + 534-18 + 53.09
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-07-0-83-103
Авторы: Казначеев П. А., Камшилин А. Н.

Информация об авторах: Казначеев Павел Александрович — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: p_a_k@mail.ru, Камшилин Анатолий Николаевич — канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Для контактов: Казначеев П. А., e-mail: p_a_k@mail.ru.

Библиографический список:

1. Иванов А. Г. Сейсмоэлектрический эффект 1 рода в приэлектродных областях // Доклады АН СССР. — 1949. — Т. 68. — С. 53—56.

2. Иванов А. Г. Сейсмоэлектрический эффект 2 рода // Известия АН СССР. Серия географическая и геофизическая. — 1940. — № 5. — С. 699—727.

3. Френкель Я. И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве // Известия АН СССР. Серия географическая и геофизическая. — 1944. — Т. 8. — № 4. — С. 133—150.

4. Терентьев В. Г. Исследование сейсмоэлектрического эффекта второго рода в лабораторных условиях // Записки Горного института. — 1992. — Т. 130. — С. 13—17.

5. Pride S. R. Governing equations for the coupled electromagnetics and acoustics of porous media // Phys. Review. Bull., 1994, Vol. 50., pp. 15678—15696.

6. Svetov B. S. and Gubatenko V. P. Electromagnetic field of electromechanical origin in watersaturated porous rocks. 1. formulation of the problem // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 1999, vol. 35, no 10, pp. 854—860.

7. Biot M. A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solids. I. Low-Frequency Range // J. Acoustic. Soc. Amer., 1956a, Vol. 28, pp. 168—178.

8. Biot M. A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solids. II. Higher Frequency Range // J. Acoustic. Soc. Amer., 1956b, Vol. 28, pp. 179—191.

9. Гохберг М. Б., Моргунов В. А., Похотелов О. А. Сейсмоэлектромагнитные явления. — М.: Наука, 1988. — 174 с.

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

11. Oparin V. N., Yakovitskaya G. E., Vostretsov A. G., Seryakov V. M. and Krivetsky A. V. Mechanical-electromagnetic transformations in rocks on failure // Journal of Mining Science, 2013,

vol. 49, no 3, pp. 343—356. DOI: 10.1134/S1062739149030015.

12. Новацкий В. Электромагнитные эффекты в твердых телах. — М.: Мир, 1986. , 159 p.

13. Воробьев А. А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества. — Томск: Изд. Томского университета, 1975. — 298 с.

14. Здоров А. Г., Моргунов В. А. Общие закономерности фоновых вариаций ЭМИ на Кавминводском полигоне // Геофизические исследования. — 2005. — Вып. 4. — С. 50—60.

15. Шталин С. Г., Гордеев В. Ф., Малышков С. Ю., Поливач В. И., Малышков Ю. П. Регистратор импульсных электромагнитных полей для мониторинга геодинамических процессов и геофизической разведки // Датчики и системы. — 2012. — № 4. — С. 32—37.

16. Gershenzon N. I. and Gokhberg M. B. On the Origin of ULF Magnetic Disturbances Prior to the Loma Prieta Earthquake // Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 1994, vol. 2, pp. 19—24.

17. Alekseev D. A. and Gokhberg M. B. On the Possibility of Estimation of the Earth Crust’s Properties from the Observations of Electric Field of Electrokinetic Origin, Generated by Tidal

Deformation within the Fault Zone // Izvestiya: Physics of the Solid Earth, 2018, vol. 54, no 3, pp. 487—503. DOI: 10.1134/S1069351318030023.

18. Parrot M., Achache J., Berthelier J. J., Blanc E., Deschamps A., Lefeuvre F., Menvielle M., Plantet J. L., Tarits P. and Villain J. P. High-frequency seismo-electromagnetic effects // Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1993, Vol. 77, Iss. 1—2, pp. 65—83.

19. Новацкий В. Динамические задачи термоупругости. — М.: Мир, 1970. , 256 p.

20. Fredrich J. T., Wong T.-F. Micromechanics of thermally induced cracking in three crustal rocks // J. of Geophys. Research, 1986, Vol. 91, no B12, pp. 12743—12764.

21. Gyulai Z., Hartly D. Elektrische Leitfähigkeit verformter Steinsalzkristalle // Zeitschrift für Physik, 1928, Vol. 51, no 5/6, pp. 378—387.

22. Martin R. J., Wyss M. Magnetism of rock and volumetric strain in failure tests // PAGEOPH, 1975, Vol. 113, no 1/2, pp. 51—61.

23. Воларович М. П., Пархоменко Э. И. Пьезоэлектрический эффект горных пород // Доклады АН СССР. — 1954. — Т. 99. — № 2. — С. 239—242.

24. Rzhevskiy V. V., Yamshchikov B. C., Shkuratnik V. L. Thermoemision effects of rock memory // Doklady Akademii Nauk SSSR, 1985, vol. 283, no 4, pp. 843—845.

25. Манштейн А. К., Нестерова Г. В., Филатов В. В., Саева О. П. Об оценке величины сейсмо-электрического эффекта первого рода // Технологии сейсморазведки. — 2013. — № 4. — С. 81—88.

26. Светов Б. С. Основы геоэлектрики. — М.: ЛКИ, 2008. , 656 p.

27. Бобровников Л. З., Бобылов Ю. А., Головин С. В., Добрынин С. И. Инновационные геофизические технологии в нефтегазовой геологоразведке // Научный журнал Российского газового общества. — 2015. — № 2—3. — С. 20—34.

28. Smeulders D., Grobbe N., Heller K., Schakel M. Seismoelectric Conversion for the Detection of Porous Medium Interfaces between Wetting and Nonwetting Fluids // Vadose Zone Journal, 2014, Vol. 13. DOI: 10.2136/vzj2013.06.0106.

29. Сафонов А. С. Электродинамическая сейсморазведка или сейсморазведка с регистрацией электромагнитных составляющих волнового поля. — М.: ВНИГНИ, 2017. , 152 p.

30. Потапов О. А., Лизун С. А., Кондрат В. Ф., Лящук Д. Н., Грозденский В. А., Сейфуллин Р. С., Ермаков Б. Д., Портнягин Н. Э. Основы сейсмоэлектроразведки. — М.: Недра, 1995. — 268 с.

31. Анцыферов М. С. Электросейсмический эффект // Доклады АН СССР. — 1962. — № 6. — С. 1295—1297.

32. Volkova E. N., Kamshilin A. N. Excitation of geoelectric oscillations and alteration of ground conductivity by a vibration generator // Doklady of the Academy of Sciences of the USSR, Earth Science Sections, 1988, Vol. 302, no 5, pp. 54—56.

33. Петкевич Г. И., Лящук Д. Н., Лизун С. А., Кондрат В. Ф. Геоэлектрические исследования полей, стимулированных вибровоздействием в неоднородных средах / Нетрадиционные методы геофизических исследований неоднородностей в земной коре. — М., 1989. — С. 72—73.

34. Пархоменко Э. И. Основные закономерности сейсмоэлектрического эффекта осадочных пород и пути его использования в геофизике / Физические свойства горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. — М.: Наука, 1978. — С. 200—207.

35. Черняк Г. Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. — М.: Недра, 1987. — 165 c.

36. Ageeva O. A., Svetov B. S., Sherman G. Kh. and Shipulin S. V. Seismoelectric effect of second kind in rocks from data of laboratory studies // Russian Geology and Geophysics, 1999, vol. 40, no 8, pp. 1251—1257.

37. Kamshilin A. N., Volkova E. N., Kuzichkin O. R. and Sokolnikov M. A. Self-oscillations in rocks, results of laboratory experiments // Annals of geophysics, Vol. 47, no 1 (feb. 2004), pp. 93—100.

38. Агеева О. А. Использование сейсмоэлектрических преобразований в породах для прогнозирования характера насыщения порового пространства // Геофизика. — 2008. — № 1. — С. 1621.

39. Волкова Е. Н., Камшилин А. Н. Механоэлектрические преобразователи / Горная геофизика. Международная конференция 22—25 июня 1998 г., С. Петербург, Россия. Сборник трудов. — СПб.: ВНИМИ, 1998. — С. 486—488.

40. Bordes C., Sénéchal P., Barrière J., Brito D., Normandin E., Jougnot D. Impact of water saturation on seismoelectric transfer functions: a laboratory study of coseismic phenomenon // Geophysical Journal International, 2015, Vol. 200, Iss. 3, pp. 1317—1335. DOI: 10.1093/gji/ggu464.

41. Gul'yel'mi A. V., Kamishilin A. N., Volkova E. N. and Chirkov E. B. Seismic vibrator excitation of geoelectric signals at combination frequencies // Transactions (doklady) of the USSR Academy of Sciences. Earth science sections, 1989, vol. 309, no 6, pp. 19—21.

42. Камшилин А. Н. Параметрические сейсмоэлектрические явления / Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле: 19-я международная конференция. Материалы конференции. — М.: ИГЕМ РАН. 2018. — С. 153—156.

43. Чечурин С. Л. Параметрические колебания и устойчивость периодического движения. — Л.: Изд. ЛГУ, 1983. , 219 p.

44. Чеботарева И. Я., Камшилин А. Н. Исследование механоэлектрических преобразований в горных породах с малой степенью флюидонасыщения // Радиопромышленность. — 2018. — № 1. — С. 18—26. DOI: 10.21778/2413-9599-2018-1-18-26.

45. Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред. — М.: Наука, 1977. — 400 p.

46. Садовский М. А. Избранные труды: Геофизика и физика взрыва. — М.: Наука, 2004. — 440 p.

47. Ivanov V. I. The probabilistic mechanism of formation of block structures // Doklady Physics, 2012, vol. 57, no 3, pp. 125—130. DOI: 10.1134/S1028335812030044.

48. Svetov B. S. Self-consistent problems of geophysics. A review // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 2015, vol. 51, no 6, pp. 910—914. DOI: 10.1134/S1069351315060117.

49. Казначеев П. А., Камшилин А. Н., Попов В. В. Измерение локальной плотности тока в земной коре // Вестник МЭИ. — 2011. — № 5. — С. 57—63.

50. Burdine N. T., Gournay L. S., Reichertz P. P. Pore Size Distribution of Petroleum Reservoir Rocks // Journal of Petroleum Technology, 1950, no 2 (07), pp. 195—204. DOI: 10.2118/950195-g.

51. Nimmo J. R. Porosity and Pore Size Distribution // In: Encycl. Soils Environ. — Elsevier, 2005. — Pp. 295—303. DOI: 10.1016/B0-12-348530-4/00404-5.

52. Zechen Y., Canshou Ch., Pengxian F., Mingyang W., Xiang F. Pore Structure Characterization of Ten Typical Rocks in China // The Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2015, Vol. 20, bund. 2, pp. 479—494.

53. Kröger B., Yaramanci U., Kemna A. Numerical analysis of seismoelectric wave propagation in spatially confined geological units // Geophysical Prospecting, 2014, Vol. 62, DOI: 10.1111/1365-2478.12020.

54. Grobbe N., Neut J., Slob E., Wapenaar K., Almagro C. V., Drijkoningen G. Unified multidepth-level field decomposition // Geophysical Prospecting, 2015, Vol. 64, DOI: 10.1111/1365-2478.12290.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.