Влияние электризации кальцитов на параметры электромагнитных сигналов при импульсном акустическом воздействии

Влияние электризации кальцитов на параметры электромагнитных сигналов при импульсном акустическом воздействии

A.A. Беспалько, P.M. Гольд| , Л.В. Яворович

Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия

Исследованы параметры электромагнитного сигнала при акустическом возбуждении электризованных образцов крупнокристаллического, мелкокристаллического мрамора и сталактита. Инжектирование на поверхностность образцов кальцитов положительного заряда приводит к их поляризации. При этом плотность поверхностного заряда тем больше, чем меньше размер структурных элементов кальцитов. Такую же зависимость имеет и время релаксации поверхностного заряда. В то же время, при акустическом возбуждении образцов крупнокристаллического мрамора амплитуда электромагнитных сигналов имеет большие значения, чем из мелкокристаллического. Такая закономерность обусловлена величиной дипольного момента структурных элементов. В результате проведенных исследований кальцитов установлена взаимосвязь размеров структурных элементов, поверхностной плотности заряда и параметров электромагнитных сигналов.

The effect of electrostatic charging of calcites on the parameters of electromagnetic signals under impulse acoustic action

A.A. Bespalko, | R.M. Gold , and L.V. Yavorovich

Tomsk Polytechnical University, Tomsk, 634050, Russia

Consideration is given to the parameters of an electromagnetic signal under acoustic excitation of electrostatically charged specimens from coarse- and fine-grained marble and stalactite. The positive charge injection to the surface of calcite specimens leads to their polarization. In this case, the smaller is the size of structural elements of the calcites, the higher is the surface charge density. The time of surface charge relaxation has the same dependence. For the coarse-grained marble specimens under acoustic excitation the electromagnetic signal amplitude is higher than that for the fine-grained specimens. This regularity is determined by the value of the dipole moment of structural elements. In the result of the investigations performed we have revealed an interrelation between the size of structural elements as well as surface charge density and parameters of electromagnetic signals.

1. Введение

При разработке рудных месторождений происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния горного массива. Использование при этом взрывной отбойки полезного ископаемого приводит к возникновению динамических проявлений горного давления различных энергетических классов. Деформирование и разрушение горных пород, происходящие при изменении напряженно-деформированного состояния, сопровождаются различными электрическими явлениями, к числу которых относится и эффект возникновения электростатических полей. При разработке в Томском политехническом университете метода контроля измене-

ний напряженно-деформированного состояния по параметрам электромагнитной эмиссии было установлено, что после взрывов в шахте Таштагольского рудника существенно изменяются параметры интенсивности импульсного потока, отображающей усредненное количество импульсов в единицу времени, и интенсивности электромагнитного сигнала, пропорциональной среднему значению напряженности электромагнитного поля [1]. Такие изменения могут быть обусловлены как увеличением напряженности электромагнитного поля одного участка массива, так и увеличением числа этих участков.

© Беспалько A.A., | Гольд P.M] , Яворович Л.В., 2004

В диэлектрических материалах, а также в горных породах в условиях естественного залегания, под действием медленно меняющихся или импульсных механических нагрузок происходят механоэлектрические преобразования энергии [2, 3], обусловленные, в том числе, и протеканием поляризационных токов [4]. Эти преобразования сопровождаются возникновением переменного электромагнитного поля. В лабораторных исследованиях было установлено, что вариации этого поля обусловлены, в основном, изменением дипольного момента двойных электрических слоев, формирующихся на границах неоднородности материалов или на границах раздела разнородных материалов. В горных массивах это контакты различных пород и минералов (кальцита, кварца, полевого шпата и др). Колебания величины дипольного момента могут происходить в исследуемом объекте вследствие изменения расстояния между зарядами разного знака при прохождении акустических волн, которые возникают в образце либо при импульсном механическом возбуждении материалов, либо за счет акустической эмиссии при их механическом нагружении. Появление электрического заряда в горных породах на адгезионных границах породообразующих минералов при механическом или акустическом воздействии может быть вызвано диффузией носителей заряда и движением дислокаций; пьезоэффектом; развитием пластической деформации и трения; разрушением диэлектрических минералов и адгезионных границ и др. [5, 6]. В работе [5] показано, что в процессе трибоэлект-ризации горная порода приобретает электретное состояние, которое определяется приповерхностными слоями связанных зарядов и остаточной релаксационной поляризацией в объеме, а также поляризацией, обусловленной «свободными» зарядами. Поляризация в целом компенсирует связанные приповерхностные заряды, при этом электретное состояние локализуется на уровне минеральных зерен в объеме.

Электризация диэлектрических материалов и горных пород вызывает изменение их зарядового состояния. Распределение инжектированного заряда и поляризация диэлектриков в электрическом поле этого заряда определяются диэлектрическими характеристиками исследуемых объектов, которые, в свою очередь, зависят и от структуры материала, в том числе и горных пород [7]. Так, например, в образцах серпентинита, имеющих полосчатое чередование хризотил-асбеста и серпентина, поверхностная плотность заряда имеет свой знак для каждого из минералов [8]. Механическое нагружение таких горных пород, приводящее к нарушению их сплошности, порождает акустические сигналы, которые распространяются по породе и участвуют в механо-электрических преобразованиях на возникших двойных электрических слоях. Таким образом, при акустическом возбуждении электризованных образцов горных пород можно ожидать проявление тех же механизмов механо-

электрических преобразований, что и при деформировании или трибоэлектризации. При этом важно выяснить взаимосвязь параметров электромагнитных сигналов, возникающих в ходе механоэлектрических преобразований при акустическом возбуждении образцов, с величиной поверхностного заряда и размерами структурных элементов горных пород.

2. Экспериментальные результаты и их обсуждение

Исследования параметров электромагнитных сигналов при акустическом возбуждении электризованных кальцитов проводились на образцах: мрамора крупнокристаллического (кр/кр) с размером зерен 3-6 мм; мрамора мелкокристаллического (м/кр) с размером зерен 1-3 мм и сталактита, имеющего натечную структуру. Образцы имели форму параллелепипеда с размерами 80x23x21 мм3.

Электризация поверхности образцов осуществлялась с помощью заряженного трением эбонита, величина поверхностного заряда которого составила а§ = = 6 -10-11 Кл/мм2. Измерения поверхностной плотности заряда производилась с помощью устройства с вибрирующим электродом [7]. На рис. 1 приведена зависимость релаксации заряда эбонита, продолжительность которой около 5 минут, а время полной разрядки — 30 минут. В исходном состоянии величина поверхностного заряда крупнокристаллического мрамора а8К = = -1.18-10-13 Кл/мм2, мелкокристаллического мрамора а8м =-1.15 -10-13 Кл/мм2, а сталактита а88 = = +1.07 -10-12 Кл/мм2. В процессе электризации величина плотности поверхностного заряда образцов изменилась: а^К =+1 -10-12 Кл/мм2 для крупнокристаллического мрамора, а'8м =+2.5 -10-12 Кл/мм2 для мелкокристаллического и а^8 =+2.5 -10-12 Кл/мм2 для сталактита. Таким образом, суммарная плотность заряда электризуемых поверхностей стала положительной. Измеренное время релаксации инжектированного заряда до исходного для крупнокристаллического мрамора со-

Время,

Рис. 1. Релаксация поверхностного заряда эбонитового тела

2.5-10“12

О А---------.---------.--------.---------.--------

О 20 40 60 80 100

Время, мин

Рис. 2. Зависимость величины поверхностного заряда образцов кальцита от времени:  — мрамор крупнокристаллический; ♦ — мрамор мелкокристаллический; а — сталактит

ставило 50 минут, для мелкокристаллического мрамора — 80 минут, а для сталактита — 90 мин. На рис. 2 приведены изменения величины поверхностного заряда образцов кальцитов во времени. На рисунке видно, что с уменьшением размера структурных элементов образцов увеличилось время релаксации поверхностного заряда. Вид полученных зависимостей указывает на то, что при внесении электрического заряда в образцах возникает электрическое поле, которое в результате деформирования двойных электрических слоев на границах между зернами, приводит к вызванной поляризации породы [7]. Изменение величины поверхностного заряда происходит скачкообразно, затем идет процесс восстановления а к исходному состоянию, что проявляется в снижении величины поверхностной плотности заряда и, как следствие, к уменьшению потенциала вызванной поляризации. Изменение поляризованного состояния оценивалось по значению V, равному отношению изменения поверхностной плотности заряда в процессе релаксации к его начальной величине (Да/ а = = (а-а')/а). В нашем случае: для крупнокристаллического мрамора V К = 9.77; для мелкокристаллического V м = 22.7; для сталактита V 8 = 0.47. Из полученных данных видно, что V зависит от размеров структурных элементов. Величина поверхностного заряда при электризации образца сталактита изменяется незначительно и остается положительной в обоих случаях. Так как разность между исходной а и а', возникшей после электризации, небольшая, то и потенциал вызванной поляризации низкий. Процесс релаксации а'88 сталактита имеет особенности. В течение 15 минут после инжектирования заряда на поверхность сталактита наблюдается постепенное увеличение а88, а затем его снижение с постоянной скоростью V 8. Это связано с тем, что, по сравнению с крупнокристаллическим и мелкокристаллическим мрамором, в образце сталактита в компенсации инжектированного заряда, вероятно, участвуют другие более медленные виды поляризации, например, «внешняя» релаксационная поляризация. Такая поляри-

зация может происходить как в натечных слоях, так и на закристаллизованной внутренней трещине, которая расположена вдоль заряжаемой плоскости. Наличие конкурирующих видов поляризаций, имеющих различные времена релаксаций, последующие их изменения в результате нейтрализации инжектированного заряда и привело к экспериментально полученным зависимостям (рис. 2).

Таким образом, можно говорить о том, что при инжектировании электрического заряда на поверхность образцов крупнокристаллического и мелкокристаллического мрамора их поляризация протекает по одному типу, в то время как в сталактите с пространственным внутренним дефектом компенсация внесенного заряда происходит путем различных видов вызванной упругой и внешней релаксационной поляризации. Релаксация плотности индуцированного поверхностного заряда определяется структурными особенностями конкретного образца кальцита.

Для выявления взаимосвязи структуры кальцита, поверхностной плотности заряда и механоэлектрических преобразований в них проведены исследования электромагнитных сигналов в процессе импульсного акустического прозвучивания электризованных образцов. Измерения электромагнитных сигналов проводились на специально созданной установке с прозвучиванием образцов акустическими импульсами длительностью от 1 • 10-4 до 1 • 10-6 c. В качестве акустического излучателя использовался пьезопреобразователь. Прием электромагнитного отклика осуществлялся емкостным дифференциальным датчиком, сигнал с которого записывался осциллографом Tektronix TDS210, а затем передавался в персональный компьютер для дальнейшей обработки. Воспроизводимость акустических сигналов и электромагнитных откликов на такое воздействие при неизменной геометрии экспериментов очень высокая, а погрешность измерения не более 2 %. Проведенные исследования показали, что спектр электромагнитных сигналов зависит в том числе и от длительности возбуждающего акустического импульса. Поэтому здесь представлены эксперименты при одной длительности прозвучиваю-щего сигнала, соответствующей времени 5 • 10 -6c. Перед началом эксперимента образцы электризовались с помощью заряженного эбонита. Измерялся поверхностный заряд образцов. Акустический сигнал создавался с помощью пьезопреобразователя с интервалом 3 минуты до полной релаксации заряда с одновременной регистрацией электромагнитного сигнала. Зарегистрированная амплитуда электромагнитных сигналов для исследуемых образцов кальцитов до внесения заряда имеет приблизительно один порядок величины и колеблется в пределах 200-350 мВ.

В результате исследований установлено, что внесение на поверхность образцов одинакового по величине заряда привело к различным значениям амплитуды

Время, с

Время, с

Рис. 3. Электромагнитные сигналы (ЭМС) при акустическом возбуждении электризованных образцов крупнокристаллического (а) и мелкокристаллического (б) мрамора

электромагнитного сигнала. На рис. 3, в соответствии с релаксацией инжектированного заряда, приведены изменения амплитуды электромагнитных сигналов, зарегистрированные при акустическом возбуждении образцов мрамора. В крупнокристаллическом мраморе (рис. 3, а) амплитуда электромагнитных сигналов увеличилась на порядок по сравнению с исходным значением и составила около 2 В. Для мелкокристаллического мрамора (рис. 3, б) также отмечается увеличение амплитуды электромагнитных сигналов при электризации поверхности, но меньше, чем у крупнокристаллического мрамора, порядка 800-900 мВ. При аналогичных экспериментах на сталактите амплитуда электромагнитных сигналов практически не изменилась.

Таким образом, внесение заряда на поверхность образцов вызвало их поляризацию, деформирование двойных электрических слоев и, как следствие, привело к увеличению амплитуды электромагнитных сигналов крупнокристаллического и мелкокристаллического мрамора. По мере релаксации поляризованного состояния образцов наблюдается уменьшение амплитуды

Рис. 4. Изменение амплитуды электромагнитных сигналов при релаксации поверхностного заряда: 1 — мрамор крупнокристаллический, 2 — мрамор мелкокристаллический, 3 — сталактит

электромагнитных сигналов. На рис. 4 приведены зависимости изменения амплитуды электромагнитных сигналов при релаксации поляризованного состояния для исследуемых образцов. Зависимости на рис. 4 для крупнокристаллического и мелкокристаллического мрамора имеют вид экспоненты, общий вид которой Аэмс = A0exp- (x/k), где Аэмс — амплитуда регистрируемого электромагнитного сигнала; х — время измерений с начала внесения заряда; A0, k — эмпирические коэффициенты. Этот вид соответствует математическому описанию процесса релаксации поляризованного состояния образцов, а именно, P(t) = P0 exp - (t/т), где P(t) — изменения поляризованного состояния образца во времени; Р0 — значение поляризованного состояния образца в момент окончания инжектирования заряда на поверхность образца; t — время протекания процесса; т — время релаксации, которое выше определено экспериментально.

Исследование амплитудно-частотных характеристик электромагнитного сигнала, выполненное с помощью быстрого преобразования Фурье, показало, что и в частотном спектре наблюдаются отличия для образцов мрамора, различающихся по размеру структурных элементов. На рис. 5 приведены амплитудно-частотные характеристики поляризованных образцов. На рисунках видно, что основная разница в спектрах крупнокристаллического (рис. 5, а) и мелкокристаллического (рис. 5, б) мрамора наблюдается до 40 кГц и выше 80 кГц. Нами установлено, что диапазон 50-80 кГ ц обусловлен собственными колебаниями образцов в процессе акустического возбуждения. Существенные различия в низкочастотном диапазоне спектра вызваны большими размерами структурных элементов крупнокристаллического мрамора, и, как следствие, большей величиной дипольного момента двойного электрического слоя. Появление отличий в высокочастотном диапазоне, вероятно, определяется увеличением в крупнокристаллическом мраморе размеров межзеренного пространства.

0.12

Т-------1------1-------------1-------------1-------------1-------------1-------------1------1------1-------------1—

^и.Щи

Частота, кГц

80 120 Частота, кГц

160 200

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики электризованных образцов крупнокристаллического (а) и мелкокристаллического (б) мрамора

3. Заключение

Таким образом, электризация образцов кальцитов, отличающихся по размеру структурных элементов, приводит к их поляризации. Величина поверхностной плотности заряда увеличивается с уменьшением размеров структурных элементов. Амплитуда электромагнитных сигналов при акустическом возбуждении электризованных образцов кальцита может возрастать более чем в десять раз. При этом амплитуда электромагнитных сигналов из крупнокристаллического мрамора выше, чем из мелкокристаллического, и зависит от величины дипольного момента структурных элементов. Этим же обстоятельством обусловлены отличия амплитудно-частотных спектров крупнокристаллического и мелкокристаллического мрамора. В натечном кальците (сталактите) процесс поляризации носит более сложный характер, а суммарная плотность поверхностного заряда до электризации и после нее имеет тот же знак и несущественно отличается по величине. Это и определило слабые изменения амплитудно-частотных характеристик его электромагнитных сигналов. Приведенные результаты исследований указывают на то, что как и более крупные протяженные дефекты (трещины и границы блоков минералов и горных пород) [8] и слои (границы разных минералов и пород внутри блоков) [7], размеры зерен, являющиеся структурными элементами природных минералов и горных пород, существенно влияют на амплитудно-частотные параметры электромагнитных сигналов при акустическом импульсном возбуждении электризованных образцов. В конечном итоге, полученные закономерности влияния электризации кальцитов на параметры электромагнитных сигналов пока-

зали, что в естественных условиях при изменениях напряженно-деформированного состояния горных пород по каким-либо причинам вариации напряженности электромагнитного поля будут определяться и поляризационными токами, отражающими динамические процессы в очаге готовящегося разрушения.

Литература

1. Разработка метода контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород в шахтных выработках по параметрам электромагнитной эмиссии // Научный отчет по теме ФЦП «Интеграция». - Томск: ТПУ, 2003. - 58 с.

2. Хатиашвили Н.Г., Перельман М.Е. Генерация электромагнитного излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы // ДАН СССР. -1982. - Т. 263. - № 4. - С. 839-842.

3. Гольд Р.М., Марков Г.П., Могила П.С., Самохвалов М.А. Импульсное электромагнитное излучение минералов и горных пород, подверженных механическому нагружению // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1975. - № 7. - С. 109-111.

4. Куксенко В.С., Килькеев Р.Ш., Мирошниченко М.И. К интерпретации электрических предвестников землетрясений // ДАН СССР. Геофизика. - 1981. - Т. 260. - № 4. - С. 841-843.

5. АлексеевД.В., ИвановВ.В., ЕгоровП.В. Механизмы формирования

квазистационарного электрического поля в нагруженных горных породах // ФТПРПИ. - 1993. - № 2. - С. 3-6.

6. Балбачан М.Я., Пархоменко Э.И. Электретный эффект при разрушении горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1983. -№ 8. - С. 104-108.

7. Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. - 191 с.

8. Беспалько А.А., Гольд Р.М., Яворович Л.В. Возбуждение электромагнитных сигналов в слоистых горных породах при акустическом воздействии // ФТПРПИ. - 2003. - № 2. - С. 8-14.

9. Беспалько А.А., Гольд Р.М., Яворович Л.В., Дацко Д.И. Влияние текстурных особенностей образцов алевролита на параметры электромагнитного сигнала при акустическом возбуждении // ФТПРПИ. - 2002. - № 2. - С. 27-32.