Электрическое сопротивление горных пород как чувствительный датчик изменений


УДК 523.62.726


ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

КАК ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК ИЗМЕНЕНИЙ ИХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ДЕФОРМАЦИЙ


© 2020 г. А.Я. Сидорин


Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

e-mail: al_sidorin@hotmail.com


Главное

анализ данных о результатах лабораторных исследований тензочувствительности электрического сопротивления горных пород

составлена сводная таблица значений коэффициента тензочувствительности различных горных пород и минералов

значения коэффициента тензочувствительности могут достигать сотен тысяч и даже более

в лабораторных экспериментах и при полевых наблюдениях выявлена значительная анизотропия вариаций электрического сопротивления горных пород

высокая тензочувствительность электрического сопротивления горных пород стала основанием для проведения уникальных геоэлектрических экспериментов по поиску предвестников землетрясений


Аннотация. Собраны и обобщены литературные данные о результатах лабораторных исследований тензочувствительности электрического сопротивления горных пород. Представлена сводка данных в виде таблицы значений коэффициента тензочувствительности различных горных пород и минералов. Анализ собранных данных показал, что относительные изменения электрического сопротивления некоторых горных пород при определенных условиях могут в сотни тысяч и даже более раз превосходить относительные деформации исследованных образцов. В последние годы получены результаты, свидетельствующие о значительных изменениях анизотропии электрического сопротивления горных пород в процессе их нагружения. Эти особенности электрического сопротивления горных пород показывают перспективы использования геоэлектрического мониторинга для получения информации об изменениях напряженного состояния и деформаций горных пород как метода косвенного определения допустимого порога нагружения горной породы, а также в системах комплексного геофизического мониторинга при решении различных прикладных задач.


Ключевые слова: горные породы, электрическое сопротивление, коэффициент тензочувствительности, обзор, лабораторные эксперименты, полевые наблюдения, мониторинг для поиска предвестников землетрясений и горных ударов, анизотропия изменений


Цитируйте эту статью как: Сидорин А.Я. Электрическое сопротивление горных пород как чувствительный датчик изменений их напряженного состояния и деформаций // Наука и технологические разработки. 2020. Т. 99, № 2. С. 38–48. https://doi.org/10.21455/std2020.2-3



Финансирование


Работа выполнена по госзаданию Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук.


Конфликт интересов


Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.


Литература


Авалиани З.С. Зависимость электрических свойств горных пород и минералов от трещиноватости и температуры: Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Тбилиси: Институт геофизики АН ГССР, 1984. 164 c.

Гайдин П.Т., Петухов М.Ф., Кирпиченко В.М. Методы прогноза горных ударов на Таштагольском руднике и пути их совершенствования // Горный журнал. 1985. № 7. С.57–60.

Глушко В.Т., Яланская А.А., Курносов А.Т. Электрометрический контроль горного массива при механизированной выемке крутопадающих пластов Центрального Донбасса // Геоэлектрика. Кемерово, 1977. С.70–77.

Дальнов А.С. Исследование применимости и обоснование электрометрического эффективного сопротивления для прогноза горных ударов: Автореф. дисc. ... канд. техн. наук. Пермь, 1972. 23 с.

Жуков В.С., Стаховская З.И., Пономарев А.В. Вариации электрического сопротивления образцов известняка Ашхабадского сейсмоактивного района при сложнонапряженном состоянии // Изв. АН ТуркмССР. Сер.физ.-техн., хим. и геол. наук. 1990. № 3. С.77–82.

Идармачев Ш.Г. Роль электрического зондирования в исследовании геофизических предвестников землетрясений // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2010. № 56. С.200–210.

Идармачев Ш.Г., Абдулаев Ш.-С.О. Оценка тензочувствительности электрического сопротивления горных пород в сейсмоактивных районах // Докл. РАН. 1998. Т. 3, № 5. С.682–684.

Киракосян Х.В., Сидорин А.Я. Установка для лабораторных исследований тензочувствительности электрических свойств горных пород и результаты ее использования // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С.87–92.

Кольцов А.В., Пономарев А.В., Салов Б.Г. Исследование подготовки и развития разрушения в образцах горных пород комплексом геофизических методов // Acta Geophys. Pol. 1984. V. 32, N 3. P.283–299.

Муминов А.С. Оценка тензочувствительности электрического сопротивления водонасыщенных осадочных пород в условиях объемного сжатия // Узб. геологич. журн. 1986. № 5. С.9–12.

Пономарев А.В. Электрические явления при деформации и разрушении горных пород // Прогноз землетрясений. № 4. Душанбе: Дониш, 1984. С.244–256.

Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. 192 с.

Смирнов В.А., Гончаров С.И. Оценка степени удароопасности отдельных участков угольных пластов и рудных залежей на основе комплексных геоэлектрических и геохимических исследований // Рудничная геоэлектрика. Кемерово, 1977. С.81–88.

Brace W.F. Electrical resistivity of sandstone. Final report to Defense Nuclear Agency, contract no. DNA-001-74-C-0057, 1974. 40 p.

Brace W.F., Orange A.S. Further studies of the effect of pressure on the electrical resistivity of rocks // J. Geophys. Res. 1968. V.73. P.5407–5420.

Brace W.F., Orange A.S., Madden T.R. The effect of pressure on the electrical resistivity of water saturated crystalline rocks // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P.5669–5678.

Chen D., Chen F., Wang L. Studies on resistivity of rock samples under uniaxial pressure-anisotropy of resistivity // Acta Geophys. Sin. 1983. V. 26. P.784–792.

Chen F., Xiu J., An J., Liao C., Chen D. Research on dependence of resistivity changing anisotropy on microcracks extending in rock with experiment // Acta Seismol. Sin. 2000. V. 13. P.331–341. https://doi.org/10.1007/s11589-000-0043-6

Du X., Ruan A., Fan Sh., Hao Zh. Anisotropy of the apparent resistivity variation rate near the epicentral region for strong earthquakes // Acta Seismol. Sin. 2001. V. 14. P.303–314. https://doi.org/10.1007/BF03040631

Fujimori Y. Strain and electric resistivity change of rocks. Rock samples at Aburatsubo and Omaezaki // J. Seismol. Soc. Jap. 1981. V. 34, N 3. P.433–435.

Jouniaux L., Zamora M., Reuschlé T. Electrical conductivity evolution of non-saturated carbonate rocks during deformation up to failure // Geophys. J. Int. 2006. V. 167, Iss. 2. P.1017–1026. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2006.03136.x

Kahraman S., Yeken T. Electrical resistivity measurement to predict uniaxial compressive and tensile strength of igneous rocks // Bull Mater Sci. 2010. Vol. 33. P. 731–735. https://doi.org/10.1007/s12034-011-0137-x

King C.Y., Luo G. Variations of electric resistance H2 and Rn emissions of concrete blocks under increasing uniaxial compression // Pure Appl. Geophys. 1990. V.134, N 1. P.45–56.

Kurita K. How can we identify location of a fracture plane? Anisotropy of electrical conductivity and seismic velocity in dilatancy // Earthq. Predict. Res. 1986. V. 4, N 1. P.39–45.

Lu Y. Experimental study on the electrical precursory features of electrical precursors and acoustic emmission during the process of slowly dilatantly rupturing on the large scale granite specimen // Northwest. Seismol. J. 1990. V. 12, N 3. P.15–21.

Madden T.M. Electrical measurements as stress-strain monitors, U.S.G.S. Office of Earthquake Studies // Proceedings of conference VII: Stress and strain measurements related to earthquake prediction. Open file report 79-370. Menlo Park, California, 1978. P.301–347.

Matias M.J.S., Habberjam G.M. The effect of structure and anisotropy on resistivity measurements // Geophysics. 1986. V. 51, N 4. P.964–971.

Morrow C.A. Electrical Resistivity Changes: Dissert. Master of Science. Boston: MIT, 1979. 93 p.

Morrow C.A., Brace W.F. Resistivity changes of tuffs due to stress // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. P.2929–2934.

Radu C., Rugina I., Winter G., Winter W. Electrical resistivity changes in brittle rocks // Rev. roum. sci. techn. Ser. Mic. Appl. 1984. V.29, N 3. P.295–304.

Stopinski W., Teisseyre R. Precursory rock resistivity variations related to mining tremors // Acta Geophys. Pol. 1982. V. 30, N 4. P.293–320.

Sun Q., Zhu Sh., Xue L. Electrical resistivity variation in uniaxial rock compression // Arab. J. Geosci. 2015. V. 8, N 4. P.1869–1880. https://doi.org/10.1007/s12517-014-1381-3

Takano M., Yamada I., Fukao Y. Anomalous Electrical Resistivity of Almost Dry Marble and Granite under Axial Compression // J. Phys. Earth. 1993. V. 41. P.337–346.

Utada H., Yoshino T., Okubo T., Yukutake T. Seismic resistivity changes observed at Aburatsubo, central Japan, revisited // Tectonophysics. 1998. V. 299. P.317–331.

Xu X., Liu B., Li S., Yang L., Song J., Li M., Mei J. Experimental study on conductivity anisotropy of limestone considering the bedding directional effect in the whole process of uniaxial compression // Materials (Basel). 2016. Vol. 9, N 3. P. 165. https://doi.org/10.3390/ma9030165

Yamazaki Y. Electrical conductivity of strained rocks (1st paper). Laboratory experiments on sedimentary rocks // Bull. Earthq. Res. Inst., Univ. Tokyo. 1965. V. 44. P.783–802.

Yamazaki Y. Electrical conductivity of strained rocks (2nd Paper). Further experiments on sedimentary rocks // Bull. Earthq. Res. Inst., Univ. Tokyo. 1966. V. 44. P.1553–1570.

Yamazaki Y. Electrical conductivity of strained rocks (3rd Paper). A resistivity variometer // Bull. Earthq. Res. Inst., Univ. Tokyo. 1967. V. 45. P.849–860.

Yamazaki Y. Electrical conductivity of strained rocks (4th Paper). Improvement of the resistivity variometer // Bull. Earthq. Res. Inst., Univ. Tokyo. 1968. V. 46. P.957–964.

Yamazaki Y. Tectonoelectricity // Geophysical Surveys. 1977. V. 3, N 2. P.123–142.

Zhao Y., Qian F., Stopinski W. In situ experiment and a relationship between electrical resistivity changes and the strains // Acta Geophys. Pol. 1990. V. 38, N 3. P.229–243.

Zhang J., Wu X., Yang X., Du W., Yue M. Observational evidence of anisotropic changes of apparent resistivity before strong earthquakes // Geophys. J. Int. 2017. V. 210, Iss. 3. P.1323–1331. https://doi.org/10.1093/gji/ggx235

Zhu T. Preliminary study on regional geo-resistivity anomaly before the Wenchuan MS 8.0 earthquake // Acta Seismol. Sin. 2013. V. 35, N 1. P.18–25. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-3782.2013.01.003


Сведения об авторе


СИДОРИН Александр Яковлевич – Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Россия, 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: al_sidorin@hotmail.com


НАУКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ,

2020, том 99, № 2, с. 38–48