1. Научная деятельность
  2. Гранты РНФ
  3. Гранты РНФ
  4. Расчетно-экспериментальные исследования физических механизмов электромагнитного инициирования землетрясений

Расчетно-экспериментальные исследования физических механизмов электромагнитного инициирования землетрясений

Конкурс РНФ 2024 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Проект № 24-27-00205

«Расчетно-экспериментальные исследования физических механизмов электромагнитного инициирования землетрясений»
Сроки выполнения проекта
2024-2025
Отрасль знаний
Науки о Земле
Руководитель проекта
к.т.н. Новиков Виктор Александрович
Название организации
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук
Объем финансирования
3 млн. рублей

Аннотация

   Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы электромагнитного инициирования землетрясений. Практическая значимость заявленной работы заключается в будущем применении разрабатываемой физической модели и компьютерной программы для определения параметров электромагнитного воздействия при существующем напряженно-деформированном состоянии разлома, уровне его электрического сопротивления и проницаемости, обеспечивающих инициирование слабых землетрясений или событий медленного скольжения для снижения сейсмической опасности. 

при поддержке RNF.png

   Целью проекта является выявление механизмов электромагнитного воздействия на деформационные процессы в земной коре, приводящих к инициированию землетрясений, и их проверка в лабораторных экспериментах на пружинно-блочных моделях разлома земной коры и прессовом оборудовании. Данная цель является принципиально новой и актуальной для указанной научной проблемы, поскольку физические механизмы таких процессов до сих пор неясны. Будут проведены комплексные исследования, включающие критический анализ и селекцию ранее предложенных гипотез, формулировку новых гипотез, разработку физически обоснованных теоретических моделей, а также их проверку на специализированном оборудовании Института динамики геосфер РАН, Объединенного института высоких температур РАН и Научной станции РАН в Бишкеке, позволяющем изучать взаимодействие электрического и электромагнитного полей с горными породами и модельными разломами земной коры в напряженно-деформированном состоянии. В результате критического анализа предложенных ранее гипотез о механизмах взаимодействия электромагнитного поля с горными породами в напряженно-деформированном состоянии, а также данных, полученных ранее в лабораторных и полевых экспериментах, будут выбраны рабочие гипотезы для проверки в лабораторных условиях, включая такие механизмы электромагнитного инициирования землетрясений как повышение внутрипорового давления и снижение эффективной прочности горных пород, миграция флюида в разломную зону под воздействием электромагнитного поля, приводящая к изменению прочностных свойств разлома, а также возможный переход от хрупкого разрушения горных пород к пластическому течению под воздействием электромагнитного поля, приводящий к возникновению событий медленного скольжения. Все предложенные гипотезы будут проверены в лабораторных условиях на пружинно-блочных моделях разлома земной коры и одно- и двухосном сжатии образцов горных пород и их моделей при воздействии на них электрического тока и электромагнитного поля. На основе полученных экспериментальных результатов впервые будут разработаны физическая модель и компьютерная программа для численного моделирования процессов взаимодействия электромагнитного поля с очагом землетрясения в лабораторных и полевых условиях.

при поддержке RNF.png

    Для достижения цели проекта, а именно для выявления физических механизмов электромагнитного триггерного воздействия на очаг землетрясения предлагается использовать комплексный подход, заключающийся как в разработке теоретических моделей, так и в их проверке в лабораторных экспериментах на оборудовании Института динамики геосфер РАН, Объединенного института высоких температур РАН и Научной станции РАН в Бишкеке. 

   Для выработки рабочих гипотез о механизмах взаимодействия электромагнитного поля с горными породами в напряженно-деформированном состоянии, способных инициировать сейсмическое событие, и для их последующей проверки в лабораторных условиях будет проведен критический анализ предложенных ранее физических механизмов, а также результатов проведенных ранее лабораторных экспериментов, включая, но не ограничиваясь только этим, повышение внутрипорового давления и снижение эффективной прочности горных пород, миграцию флюида в разломную зону под воздействием электромагнитного поля, а также возможный переход от хрупкого разрушения горных пород к пластическому течению под воздействием электромагнитного поля, приводящий к возникновению событий медленного скольжения. Все предложенные гипотезы будут проверены в лабораторных условиях на пружинно-блочных моделях разлома земной коры и одно- и двухосном сжатии образцов горных пород и их моделей при воздействии на них электрического тока и электромагнитного поля. Для определения диапазона параметров электромагнитного воздействия в лабораторных экспериментах впервые, на примере Бишкекского геодинамического полигона (Северный Тянь-Шань) с использованием данных, полученных в Научной станции РАН по геоэлектрическому строению земной коры, будут проведены расчеты теллурических токов, генерируемых в разломах земной коры искусственными источниками, а также геомагнитно-индуцированных токов в разломах как следствие сильных вариаций параметров космической погоды. 

   Для проверки предложенной гипотезы о тепловом влиянии тока, протекающего в горных пористых флюидосодержащих породах, на внутрипоровое давление и прочность горных пород будут проведены следующие лабораторные эксперименты:

  1. Испытания образцов горных материалов и их моделей при одноосном сжатии на прессе ОИВТ РАН и НС РАН с регистрацией их температуры, продольной и поперечной деформаций в зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния образца и параметров электрического воздействия. Численный анализ деформирования образца при электрическом воздействии и без него с использованием модулей платформы COMSOL Multiphysics "Геомеханика" и "AC/DC". Изучение деструкции образцов горных пород после электромагнитного воздействия на основе микроструктурного анализа поверхности образцов для различных параметров воздействия.

  2. Двухосное сжатие образца с модельной трещиной, заполненной проводящим флюидом, с измерением температуры и давления флюида, акустической эмиссии при развитии трещины при различных уровнях напряженно-деформированного состояния испытываемого образца (нормальное и сдвиговое напряжения) и различных параметрах электрического воздействия на универсальной машине для испытания материалов компании Walter+Bai AG LFMZ-10. Численный анализ деформирования трещины в испытываемом образце при электрическом воздействии и без него с использованием модулей платформы COMSOL Multiphysics "Геомеханика" и "AC/DC".

  3. Экспериментальное изучение отклика акустической эмиссии и инициирования лабораторного "землетрясения" при подаче импульсов электрического тока в различные зоны межблочного контакта на пружинно-блочной установке ОИВТ РАН и крупномасштабной модели разлома ИДГ РАН.

  4. Экспериментальное исследование миграции проводящего флюида в пористой среде (гранулированном заполнителе модельного разлома) при его взаимодействии с электрическим током и геомагнитным полем. Сравнение процессов естественной диффузии флюида в модельный разлом и миграции проводящего флюида в разлом, стимулированной электрическим воздействием.

  5. Экспериментальное исследование триггерного воздействия на модельный разлом миграции флюида, стимулированной электрическим воздействием, в пружинно-блочной установке ОИВТ РАН. 

  6. Экспериментальное исследование возможности перевода режима прерывистого скольжения в события медленного скольжения или крип за счет электромагнитной обработки модельного разлома в пружинно-блочной установке ОИВТ РАН и крупномасштабной модели разлома ИДГ РАН.

   На основе анализа ранее проведенных лабораторных и полевых экспериментов, а также новых экспериментальных результатов, полученных в ходе выполнения проекта будут проведены следующие работы по созданию физической модели: 

  1. Разработка экспериментально обоснованной физической модели и компьютерной программы для численного моделирования процессов взаимодействия электромагнитного поля с очагом землетрясения в лабораторных и полевых условиях на платформе COMSOL Multiphysics©.

  2. Численная оценка параметров электромагнитного воздействия при существующем напряженно-деформированном состоянии разлома и уровне его электрического сопротивления и проницаемости, обеспечивающих инициирование слабых землетрясений или событий медленного скольжения для снижения сейсмической опасности. 

  3. Численное обоснование предложений по полевым экспериментам, направленным на электромагнитную обработку сейсмоопасных зон с целью снижения риска возникновения сильного землетрясения, разработка предложений по полевым экспериментам на Бишкекском геодинамическом полигоне.

при поддержке RNF.png

  • Новиков Виктор Александрович
  • Гридин Григорий Александрович
  •    Ожидаемые результаты :
    • Результаты оценки теллурических токов, генерируемых в разломах земной коры искусственными источниками, а также геомагнитно-индуцированных токов в разломах как следствие сильных вариаций параметров космической погоды для условий Бишкекского геодинамического полигона (Северный Тянь-Шань) с использованием данных, полученных в Научной станции РАН по геоэлектрическому строению земной коры.
    • Результаты критического анализа предложенных ранее гипотез о механизмах взаимодействия электромагнитного поля с горными породами в напряженно-деформированном состоянии, а также данных, полученных ранее в лабораторных и полевых экспериментах, и теоретически обоснованные рабочие гипотезы, выбранные или вновь выдвинутые, для проверки в лабораторных условиях, включая повышение внутрипорового давления и снижение эффективной прочности горных пород, миграцию флюида в разломную зону под воздействием электромагнитного поля, приводящую к изменению прочностных свойств разлома, а также возможный переход от хрупкого разрушения горных пород к пластическому течению под воздействием электромагнитного поля, приводящий к возникновению событий медленного скольжения.
    • Результаты экспериментальной проверки гипотезы о триггерном тепловом механизме электрического тока, приводящем к повышению внутрипорового давления, снижению эффективной прочности горных пород и разрушению образца при его испытании на прессе с одноосным сжатием.
    • Результаты деструкции образцов горных пород после электромагнитного воздействия на основе микроструктурного анализа поверхности образцов для различных параметров воздействия.
    • Результаты экспериментальной проверки гипотезы о триггерном тепловом воздействии электрического тока, протекающего через модельную трещину, заполненную минерализованным проводящим флюидом.
    • Результаты экспериментального исследования электромагнитной стимуляции миграции проводящего флюида в пористой среде (гранулированном заполнителе модельного разлома) при его взаимодействии с электрическим током и геомагнитным полем.
    • Результаты экспериментальной проверки гипотезы о триггерном воздействии электромагнитного поля на гранулированный заполнитель модельного разлома пружинно-блочной установки, приводящего к трансформации хрупкого разрушения частиц заполнителя в их пластическую деформацию.
    • Экспериментально обоснованная физическая модель триггерного воздействия электромагнитного поля на деформационные процессы в трещинах горных пород и разломах земной коры.
    • Компьютерная программа расчета процесса триггерного воздействия электромагнитного поля на деформационные процессы в трещинах горных пород и разломах земной коры.
    • Результаты численных оценок отклика сейсмичности на искусственные и природные электромагнитные воздействия на примере Бишкекского геодинамического полигона и их сопоставления с данными полевых наблюдений.
    • Физически обоснованные предложения по развитию метода электромагнитного инициирования землетрясений с целью снижения сейсмической опасности на Бишкекском геодинамическом полигоне (план работ и состав участников нового проекта).

       Данные ожидаемые результаты дадут новый толчок в развитии фундаментальных исследований электромагнитного инициирования землетрясений для снижения сейсмической опасности. Созданная физически обоснованная компьютерная программа расчета инициирования землетрясения электромагнитным полем обеспечит возможность численного обоснования полевых экспериментов по электромагнитной обработке сейсмогенных разломов с целью снижения опасности возникновения на них сильных землетрясений (определение параметров источника электромагнитного поля для конкретных геолого-геофизических условий). Данная программа позволит оценивать триггерный потенциал геоиндуцированных токов в сейсмогенном разломе, возникающих при сильных вариациях космической погоды, и уровень опасности возникновения сильного землетрясения, что может использоваться в методиках краткосрочного прогноза землетрясений. Кроме того, созданная физическая модель и программа могут быть использованы при расчетном обосновании электромагнитной обработки нефтяных и водяных скважин с целью повышения трещиноватости горных пород и дебита скважин, а также для электромагнитной обработки горных пород для снижения затрат при бурении глубоких скважин.

    при поддержке RNF.png

    По любым вопросам можно связаться с

    Новиковым Виктором Александровичем
    novikov.va@idg.ras.ru

    Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1,
    лаборатория Деформационных процессов в земной коре

    при поддержке RNF.png