УДК 551.2/3; 577.4

Е.Г. Соболев

Биолокация ― одно из направлений магнито-динамической интроскопии массивов горных пород

Магнитодинамическая интроскопия приповерхностных слоёв Земли ― новое научно-техническое направление инженерной геофизики, разработанное под руководством академика В.В. Ржевского и профессора, заслуженного деятеля науки В.С. Ямщикова (Московский горный институт) [1].

Магнитодинамическая интроскопия (внутривидение геометрических и физических неоднородностей) основана на исследовании информационного поля, созданного магнитным полем Земли в тонком приповерхностном слое.

Магнитодинамическая интроскопия массивов горных пород (в дальнейшем изложении МДИМ) позволяет исследовать изменения постоянной части геомагнитного поля, составляющей 95-96% от наблюдаемого геомагнитного поля [2].

За 30 лет становления и развития МДИМ разработано свыше 20 способов и устройств, которые используются при решении инженерно-геологических, гидрогеологических и, наконец, экологических задач.

Особое место среди методов исследования горных пород занимает биолокация, о преимуществах которой написано уже немало. Но вместе с тем остается актуальным вопрос о сопоставимости результатов этого, уже ставшего традиционным в геологии и инженерных, приборных методов.

Чтобы ответить на него, остановимся на теоретических и экспериментальных положениях МДИМ.

Известно, что линии геомагнитной, как и магнитной индукции преломляются при переходе границы двух сред с различными физическими свойствами по законам Снеллиуса [3,4,5], образуя участки сгущений и разряжений.

Пример образования участков сгущений и разрежений линий (лучей) геомагнитной индукции над поверхностным заполненным карстом в слое известняков (территория Донбасса) приведен на рис. 1. Установлено, что наличие обводнённых грунтов значительно изменяет картину положения лучей на границе земля ― воздух.

С помощью специально построенных трёхкомпонентного феррозондового магнитометра МФТ-1 и приспособлений к нему [4,6,7] было измерено изменение угла наклона полного вектора геомагнитной индукции (φ) над апофизой тектонического нарушения на высоте 0,2 и 1,5 м от поверхности земли (рис. 2).

Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы:

• максимальное изменение угла наклона вектора наблюдается над тектоническим нарушением;
• с увеличением высоты измерения угол наклона уменьшается, т.е. происходит выравнивание поля до состояния фонового;
• изменение угла наклона на 20-40' вызвало изменение значений полного вектора геомагнитной индукции на 240-250 нТл.

Специальными исследованиями с применением высокоточных протонных и квантовых магнитометров (МПП-203 (303), ММ-60) было произведено измерение значений вертикальной составляющей (Z) геомагнитной индукции и полного вектора геомагнитной индукции (Т) над различными геометрическими и физическими неоднородностями нерудной природы (рис. 3).

, (3),

Это говорит о том, что выбор высоты наблюдений при исследованиях слабых аномалий геомагнитного поля, имеет немаловажное значение.

При увеличении высоты свыше 1 м уровень, на котором обычно осуществляются биолокационные измерения вклад остаточной и индуктивной намагниченности в измеряемое геомагнитное поле практически исключается.

Согласно принципу суперпозиции, векторы магнитной индукции от металлических предметов (порядка первых сотен нТл) незначительно изменяют значения полного вектора геомагнитной индукции (49 000 - 49 500 нТл). Поэтому оператор биолокации свободно работает вблизи металлических предметов и при наличии электромагнитных помех.

Принятые законы преломления, искривления силовых линий геомагнитного поля позволяют объяснить появление аномальных значений геомагнитной индукции (полного вектора или его компонент) на поверхности земли.

Для пояснения рассмотрим пример, где в качестве датчика геомагнитной индукции возьмем катушку с ферритовым сердечником. Перемещаемая в геомагнитном поле катушка будет пересекать переменный поток геомагнитной индукции по закону [3]:

При этом в катушке по законам электромагнитной индукции возникает электродвижущая сила (ЭДС):

Если проводник замкнут, тогда по нему протекает ток. Вокруг катушки (вместо нее может быть использован другой проводник, например, биолокационная рамка) возникает индуктивное магнитное поле. По законам электродинамики в результате взаимодействия магнитного поля Земли и магнитного поля проводника один из источников магнитного поля должен переместиться.

В случае наших экспериментов, результаты которых приведены на рис. 4, катушка подсоединялась к регистратору-самописцу, также перемещаемому по профилю.

Для более точного распознания вида неоднородности на кривой ЭДС (рис. 4), очевидно, необходимо накопление данных, полученных на известных геологических разрезах.

График результатов профилирования на оползнеопасном боту карьера представлен на рис. 5. Как видим на рисунке выделены аномальные зоны (± 20 нТл): "Р" ― положительных значений ΔТ и "Н" ― отрицательных.

По результатам физико-механического анализа монолитов обнаружено следующее: значения таких характеристик грунтов как плотность, влажность, коэффициент сдвига, угол внутреннего трения, сцепление в зонах "Р" на 30-40 % ниже, чем в зонах "Н" [8].

Важным этапом природы возникновения геомагнитных аномалий над нерудными геологическими структурами, а также объяснения причины разнонаправленного движения электропроводящих предметов ― указателей в руках оператора биолокации явилось введение искусственных понятий "положительная" и "отрицательная" аномалия геомагнитного поля.

Понятия "отрицательная" и "положительная" аномалия являются условными, но практическое значение этого представления, как и самого биолокационного метода, при оценке и контроле оползнеопасности бортов карьеров, дамб, плотин, естественных склонов балок, оврагов трудно переоценить [9, 10, 11].

Тем более, как показала многолетняя практика в разных регионах СНГ, результаты прогноза устойчивости оползнеопасных участков подтверждается как результатами других методик (МДИМ), так и фактическими данными.

Природа появления геомагнитных аномалий над геометрическими и физическими неоднородностями, участками растяжения и сжатия грунтов очевидна: в результате преломления линий геомагнитной индукции происходит образование зон сгущения и разряжения линий.

4. Магнитодинамический эффект в приповерхностных слоях Земли

Принципиальное значение для развития методов и устройств МДИМ, а также для подтверждения эффективности применения биолокационного метода при решении инженерно-геологических и экологических задач, имеет раскрытие сущности обратимости магнитодинамического эффекта (МДЭ).

В результате модельных исследований и проведения экспериментальных полевых наблюдений получены следующие выводы [5, 8, 9].

1. При проявлении сейсмических событий, скачкообразном развитии оползневых процессов на бортах карьеров, естественных и искусственных склонах приповерхностные слои Земли ― носители геомагнитного поля ― приходят в колебательное движение.
2. Колебательное движение слоёв Земли вызывают процессы колебаний, искривлений, переключений линий геомагнитных индукций. Стационарно установленные датчики магнитометров, катушек индуктивности, (подвешенные над поверхностью на специальных пружинах), показывают переменные значения индукции. Как правило, частота колебаний составляет 0,01-10,0 Герц, что говорит о том, что их нельзя отнести к электромагнитным излучениям.
3. Установлено, что с энергетической точки зрения нет предпосылок возникновения электромагнитных излучений даже при приложении нагрузок в десятки тонн на единицу площади на нерудные геологические структуры [4, 5, 8, 12].
4. Нерудные геологические структуры не могут излучать электромагнитные волны с частотой в пределах кило-, мега- Герц, хотя мы не исключаем возможности появления электромагнитных излучений из глубинных недр Земли с более узким пределом частот при крупных землетрясениях и извержениях вулканов и, конечно, при наличии в породах пьезокварцевого сырья, на границах месторождений углеводородов и металлосодержащих руд.

Сторонники методов ЕИЭМПЗ [13] пытаются проводить исследования в весьма широком диапазоне частот. Обнаруживаемые при этом сетки имени многочисленных авторов [13] требуют хотя бы экспериментальной проверки комплексом современных геофизических методов исследований и, соответственно, подведения убедительной научной базы к природе биофизического эффекта.

К выводу о том, что БФЭ имеет магнитодинамическую природу возникновения, мы пришли ещё в 1985году [12]. Кроме того, было установлено, что при биолокации над неоднородностями в токопроводящем предмете-указателе возникает индуктивное магнитное поле. Согласно законам электромагнетизма в результате взаимодействия аномального геомагнитного поля и индуктивного магнитного предмет-указатель изменяет свое положение.

Первым официально признанным (1981год) биолокационным устройством было устройство для геомагнитной разведки И.П. Инютина [14].

Почему устройство И.П. Инютина не нашло широкого применения в практике геолого-разведочных, инженерно-изыскательских работ? Почему нет узаконенного норматива по использованию биолокационного метода до настоящего времени?

По нашему мнению, главная причина заключается в отсутствии научно-обоснованной теории проявления БФЭ. Например, И.П. Инютин по ошибке в качестве предмета-указателя предлагает использовать колебательный контур со сменными конденсаторами и диодами, катушками индуктивности и т.п., в расчёте зарегистрировать электромагнитное излучение неизвестной частоты. Конечно, его контур реагировал на геомагнитные аномалии, но повторяемости у других операторов и в других условиях не наблюдалось.

Другая причина в отсутствии единой терминологии в названиях различных неоднородностей, аномалий, а также единого подхода к трактовке их свойств.

Вместе с тем, специалисты ОАО "УкрНТЭК" широко используют биолокационный метод в своих исследованиях. Остановимся лишь на некоторых разработках, полученных на его основе и успешно применяемых на практике.

1. Магнитодинамический (биолокационный) способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли [15]. Обследованы сотни километров профилей, в результате закартированы карсты, тектонические нарушения, подземные водотоки и др.
2. Магнитодинамический (биолокационный) способ обнаружения и исследования подземных водотоков [16]. Закартированы сотни обводнённых МГДЗ, десятки месторождений подземных вод, установлены сотни колодцев и водозаборных скважин.
3. Магнитодинамический (биолокационный) способ обнаружения заторов (прорывов) в канализационных системах [17]. Обнаружены заторы и порывы в канализационных системах на десятках заводов и комбинатов.
4. Магнитодинамический (биолокационный) способ обнаружения и исследования рудных тел [18]. Уточнены контуры Васиновского месторождения железных руд (Приазовье) и контуры запасов железных руд на карьерах Кривбасса.
5. Магнитодинамический (биолокационный) способ определения изменений напряжённости состояния элементов горных выработок, склонных к оползнеобразованию [10]. Сделан прогноз оползневых процессов на бортах десятков карьеров Донбасса и Кривбасса.
6. Магнитодинамический (биолокационный) способ определения изменений напряжённого состояния грунтовых дамб (плотин) [11, 20]. На 65 накопителях жидких отходов производств Донбасса, Кривбасса, Узбекистана выявлены аварийно-опасные участки дамб (плотин).

В заключение необходимо отметить, что аналогичные способы можно разработать и применять при изучении электростатического поля Земли.

В настоящее время ОАО "УкрНТЭК" ведёт подготовку к разработке "Ведомственных дополнений и изменений к СНиПам", обязывающих выявление МГДЗ на этапах изысканий, строительства и эксплуатации наземных объектов.

Литература