Сейсмология для чайников

Все больше исследователей приходят к логическому выводу, что теория Рейда об аккумулировании и реализации горным телом энергии упругих деформаций как источнике землетрясений обветшала до такого состояния, что ее абсурдность стала понятна большинству ученых. Не прошло и ста лет, как геофизики наконец-то обратили внимание на то, что второй закон термодинамики, и в частности его принцип минимума энергии любой системы, категорически не допускает устойчивого состояния горных и любых других систем, в которых есть избыток энергии.   Возможна ли такая ситуация, чтобы тектоническая плита или другая часть земной коры получила энергию упругих деформаций и находилась в «подогретом состоянии» сотню лет, ожидая подходящего момента, чтобы эту энергию выплеснуть? Наш опыт и законы термодинамики однозначно говорят — нет! Тогда почему мы до сих пор верим авторам этих псевдоидей, пусть даже обладающим высокими научными регалиями, голословно утверждающим: «Мы приходим к заключению, что кора во многих частях Земли медленно перемещается, и разности перемещений в соседних областях создают упругие деформации, большие, чем порода может выдержать, затем возникает разрыв, и деформированные породы испытывают упругую отдачу под действием их собственных упругих напряжений, пока эти деформации в значительной степени или почти полностью не будут сняты...» . Или: «Земная кора не является ни абсолютно упругим, ни абсолютно пластическим телом — и в ней запасается упругая энергия, в ней запаздывание между деформационной накачкой энергии и ее катастрофическим высвобождением (землетрясением) достигает нескольких лет, а иногда столетий».   Никто не спорит, что земная кора реально подвергается воздействию незначительных упругих деформаций. Отметим особо — незначительных, ибо, во первых, упругая энергия не аддитивна, а во-вторых, прочностные свойства горных пород никаким образом не допустят достижения сколько-нибудь значительных упругих деформаций горным телом. При достижении предела прочности порода просто разрушится! Самое печальное для сторонников теории Рейда то, что природных механизмов и физических процессов, препятствующих релаксации энергии упругих деформаций, в природе не существует, иначе они бы давно их нам предъявили! А вот процессов, ставящих идею Рейда в разряд псевдо, более чем достаточно, чтобы раз и навсегда поставить на ней жирный крест.   Согласно прекрасно изученному физическому процессу упругой деформации, для того чтобы тело начало аккумулировать энергию, оно обязано иметь:  

1. Упругие свойства (т. е. почти мгновенно изменять свою кристаллическую решетку вслед за изменением избыточного давления).  

2. Достаточно свободно изменять свою форму от действия приложенной силы (пример — рессора).

3. Достаточно легко изменять свои размеры (пример — пружина). Строго говоря, ни то, ни другое, ни третье не присуще горным породам. Кроме того, в теории упругости существует хорошо известный принцип Сен-Венана, согласно которому на расстояниях, больших линейного размера зоны приложения упругих нагрузок, неравномерность распределения напряжения и упругие деформации оказываются пренебрежимо малыми.   Конечно, тысяча раз — конечно! Очевидно, не зная, как объяснить энергетику и механизмы подвижек пород земной коры, рейдисты «свалили все в кучу» — и геологию, и механику, разделили сейсмический процесс на различные типы подвижек земной коры, модели образования подземных толчков и почили на лаврах, полностью уверенные в собственной правоте.   Вы представляете себе, что было бы с нашей Землей, если бы они были правы? В таком случае любая тектоническая плита могла бы накопить энергию, достаточную для землетрясения с магнитудой хоть М10, хоть М20, хоть и столько, сколько потребуется, чтобы расколоть Землю. Почему нет? Так что такое землетрясение и откуда берется его энергия? 

Энергия землетрясений

Как всем известно, энергия — это способность системы совер­шать работу. В нашем случае, чем большей энергией будет обладать какое-то горное тело, тем мощнее будет землетрясение. Известно о существовании нескольких видов энергий — механическая, химиче­ская, атомная, тепловая, световая и др. Рассматривая сейсмические процессы, мы в первую очередь ин­тересуемся механической энерги­ей, т. е. энергией непосредственно­го взаимодействия частей горного массива и движения его физических тел, когда, как учат нас сейсмологи, плиты трутся друг о друга, «высе­кая» при этом землетрясения. Опять же, в нашем случае это будет энер­гия движения частей земной коры. В разделе физики, изучающем ме­ханику тел, механическая энергия подразделяется на потенциальную и кинетическую, а их сумма состав­ляет полную механическую энергию системы тел. Мы помним, что кине­тическая энергия— это энергия движения; потенциальная энергия— это энергия взаимодействия тела с силовым полем. Понятно, что на первоначальном этапе землетря­сения, когда не происходит никакого движения горного массива, кинети­ческая энергия очага землетрясения будет равна нулю. Значит, мы можем констатировать простой и единст­венно возможный вывод номер 1: источником землетрясения служит потенциальная энергия его очага. А коль так, то все предельно просто: есть потенциальная энергия в гор­ном теле— ожидайте землетрясе­ние. Нет потенциальной энергии — спим спокойно! Просто? Осталось выяснить, что такое потенциальная энергия. Со школы известно, что кинетическая энергия тела опреде­ляется его скоростью в выбранной системе отсчета, а потенциальная энергия— расположением тела в физическом поле. То есть потенциальная энер­гия — это скалярная физическая величина, которая характеризует запас энергии некоего тела (в на­шем случае— горного тела), нахо­дящегося в силовом поле, который приобретается за счет работы сил поля. Проще говоря, чтобы обра­зовалась потенциальная энергия очага землетрясения, необходимо (строго обязательно) наличие фи­зического поля. Следовательно, мы можем сделать простой и опять же единственный вывод номер 2: для образования потенциальной энер­гии очаг землетрясения обязан на­ходиться в физическом поле или вокруг очага должно быть создано физическое поле. Следовательно, если в какой-то части земной коры нет физического поля, то там не будет и потенциальной энергии, а следовательно, и землетрясений. Спим спокойно, друзья! Чтобы дви­гаться дальше, нам необходимо вспомнить понятие физического поля. Со школы известно: физиче­ское поле — это пространство, в котором проявляются силы мате­риального тела гравитационного или электромагнитного характера.

В околонаучной литературе можно найти ложный вывод о том, что су­ществуют многие виды физических полей: тепловое, акустическое, ви­брационное... и даже сейсмиче­ское. Но мы-то помним, что это не так, и все физические поля есть не что иное, как производные от гра­витационных и электромагнитных полей. Школьная физика отмечает, что элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притяги­ваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. Но элемен­тарные частицы взаимодействуют друг с другом с силой электромаг­нитного взаимодействия, которая во много раз превосходит силу тя­готения. Так, в атоме водорода электрон притягивается к протону с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения. А это значит, что в силу ничтожности гравитационных взаимодействий наше внимание при определении энергетических источников зем­летрясений должно быть сосредо­точено на электромагнитном поле.

Исходя из этого, мы можем сделать простой и единственный вывод номер 3: энергия землетрясения — это энергия электромагнитного поля, о котором достаточно мно­го знают даже красивые девчонки. Следовательно, при наведении в горном теле электромагнитного поля в нем возникает потенциаль­ная энергия, и появляется угроза землетрясения. Опять же ничего сложного для понимания процесса энергетики подземных толчков мы вам не рассказали. И нам осталось вспомнить — что такое физическое поле? Вспоминаем: частью, созида­ющей физическое поле, является за­ряд. Но... как мы помним, школьный учитель говорил нам: сам по себе заряд не существует. Чтобы в точке пространства-времени существо­вал заряд, нужна заряженная части­ца, и этими частицами могут являть­ся электроны, позитроны, протоны и другие заряженные частицы. Элек­трический заряд определяет силу электромагнитных взаимодействий, подобно тому, как масса определя­ет интенсивность гравитационных взаимодействий. Конечно, помимо электрона и протона, есть другие заряженные частицы, но только электрон и протон могут неогра­ниченно долго существовать в сво­бодном состоянии. Остальные заряженные частицы живут милли­онные доли секунды. Как мы пом­ним, позитрон существует 10-8-10-6 секунды, поскольку, сталкиваясь с электроном, исчезает вместе с ним, превращаясь в два гамма-кванта.

Следовательно, мы можем сделать очередной простой и единствен­ный вывод номер 4: носителями энергии землетрясений являются электроны и протоны. Грубо говоря, «зашевелились» электроны в очаге будущего землетрясения — в нем тут же возникает электромагнитное поле, которое и порождает мон­стра — потенциальную энергию толчка! Как мы видим, вся хитрому­драя сейсмология свелась к хорошо известным еще нашим бабушкам и дедушкам электронам. Осталось понять, почему электроны и прото­ны возмущаются в физическом поле в виде выбросов потенциальной энергии? Как мы уже выяснили, потенциальная энергия описывает взаимодействие физического поля с телом в некоторой точке. Поэтому она зависит от трех факторов: «силь­ности» поля, которая называется напряженностью поля, координаты, описывающей точку, в которой на­ходится тело, и способности самого тела воспринять данное поле. Эта способность является важнейшей характеристикой тела. Для элек­трического поля способность тела взаимодействовать — это заряд q: если он равен нулю, электрическое поле «не существует» для данной частицы. Для магнитного поля спо­собность взаимодействовать — это магнитный момент. Напряженность поля — это неравномерное рас­пределение параметров самого физического поля. В нашем случае это в первую очередь неравномер­ность распределения по площади поля и величине зарядов, а также параметры среды, способствующие возникновению зарядов: плотности среды, температуры, величина горного давления и другие физические, химические и термодинамические параметры, составляющие эту сре­ду, которые наслаиваются друг на друга, вызывая появление высоко­энергетических зарядов; главным параметром, играющим ключевую роль в старте процесса землетря­сения, является изменение горного давления вокруг его очага. В этом случае, согласно второму закону термодинамики, появляются силы, стремящиеся устранить неравновесность среды путем переноса частиц, устраняя тем самым возник­шую разностью потенциалов между системой и окружающей ее средой, проще говоря, рассеивая энергию в окружающее пространство. Если процессы выделения энергии идут медленно, то энергия успевает рас­сеиваться в окружающем горном массиве, и идет медленный процесс горообразования. Если скорость выделения энергии большая, но недостаточная для полновесного землетрясения, то происходят фор­шоки, а если процессы идут со скоростями распространения физиче­ского поля, т. е. почти мгновенно, то происходит землетрясение. Следо­вательно, мы можем сделать вывод номер 5: энергия землетрясения — это энергия его электромагнитного поля, величина которого зависит от напряженности и скорости взаимо­действия элементарных зарядов. Просто? Вот и вся сейсмология для чайников!

Гипотеза деформационного взрыва

Резюмируя пять понятных любо­му школьнику выводов, можно ска­зать, что источником землетрясе­ний является самая обыкновенная заряженная элементарная частица. Нам осталось выяснить совсем нем­ного, а именно— как образуется заряд в горном теле и почему он порождает разрушительные земле­трясения? Итак, что собой представ­ляет электрический заряд? Как мы выяснили выше, это электрон, что не подлежит никакому сомнению с точки зрения науки. При изменении горного давления в каком-то объеме горного тела происходит изменение размеров его атомов вследствие реакции кристалличе­ских решеток на силу горного дав­ления, которая действовала на гор­ное тело в течение миллионов лет. В этом случае, опять же согласно школьному учебнику физики и за­кону сохранения момента импульса, при изменении горного давления в теле возникнет бароэлектрический эффект, который заключается в том, что электроны начнут переходить из областей, где работа выхода элек­трона меньше, в те, где она больше. Перераспределение электронов породит электромагнитное поле, в котором электроны начнут с уско­рением, по спирали отдаляться от атома. Силой, которая «гонит прочь» электроны от ядра, является сила реакции объемного сжатия масси­ва на кулоновскую силу. Согласно постулатам Бора, именно выделив­шаяся в момент перемещения элек­трона на другие уровни энергия и будет той энергией землетрясения, которую некоторые сейсмологи ошибочно принимают за упругую энергию деформаций горного тела.

Кулоновская сила постарается ото­двинуть электрон на положенную ему природой «законную» (стацио­нарную) орбиту, которую он имел до приложения силы объемного сжатия пород, а возникший в этот момент ток самоиндукции, соглас­но Фарадею и школьному учебнику, будет помогать кулоновской силе. После достижения электроном «за­конной» орбиты кулоновская сила, наоборот, начнет тормозить дви­жение электрона, стараясь удер­жать его на этой, положенной ему природой орбите. Как мы знаем из школьной физики, при движе­нии заряда (электрона) возникает электрический ток, т. е. горное тело станет проводником. Но, для того чтобы между двумя точками проте­кал электрический ток, необходимо, чтобы электрические заряды имели полярность, что и будет происходить в массиве, так как появивши­еся области с разным горным дав­лением будут генерировать разную полярность.

Так как движение электронов в горном массиве будет происходить с ускорением, сила тока будет изме­няться, то и характер электрическо­го тока будет переменным. Вокруг заряда возникнут электрические и магнитные поля. Если у электро­нов с помощью тока самоиндукции хватит энергии уйти от ядра атома, то произойдет ионизация горного массива со всеми вытекающими по­следствиями. Разгоняясь в сильном электрическом поле на расстоянии свободного пробега, электроны могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул ма­териала при соударениях с ними. В результате каждого такого столкно­вения с достаточной для ионизации энергией возникает пара противо­положно заряженных частиц, одна

или обе из которых также начнут разгоняться электрическим полем и могут участвовать в ударной ио­низации. Сегодня программа 9-го класса по химии учит, что единст­венный электрон водорода имеет вероятное пространственное рас­пределение в виде облака. Причем плотность облака в любой точке ха­рактеризуется квадратом волновой функции, т. е. электронное облако — это не круговая орбита электрона, а усреднение его вероятных рас­положений в пространстве — ор­биталь. К сожалению, об этом не знали геофизики еще несколько десятков лет назад. А вот мы счаст­ливчики и знаем, что, взаимодей­ствуя между собой под действием физического поля, орбитали будут создавать комбинации различных электромагнитных взаимодейст­вий, которые и станут определять свойства вещества и его энергетику. При изменении горного давления в теле получится огромный калей­доскоп — реактор, с огромным чи­слом комбинаций расположения и влияния орбиталей атомов друг на друга, электроны которых начнут отчаянно «бороться за свои пра­ва», поглощая или отдавая свою энергию. Еще одним существенным фактором, определяющим ход зем­летрясения, будет цепная химиче­ская реакция. Газ, растворенный в породе в виде твердого раствора, может мгновенно переходить в сво­бодное состояние и покидать места, занимаемые им в кристаллических решетках породы,— так называе­мый Холодный взрыв, в результате которого кристаллические решетки начнут принимать свою первона­чальную форму, в результате чего выделится дополнительная энергия, равная энергии, затраченной при­родой на внедрение газа в кристал­лические решетки породы. Кроме того, в результате появления элек­тромагнитного поля, фазовых пере­ходов и механических деформаций тела обязательно возникнут явле­ния различных стрикций (электро-, механо-, термо-, магнита-). Прои­зойдет резкое объемное расшире­ние очага землетрясения или расширение — сжатие с определенной частотой. Процессы стрикций нач­нут «раскачивать» очаг землетрясе­ния, что приведет к микроударам, предваряющим главный удар. В этот момент может начаться цепной процесс магнитопластичности, с выделением дополнительной энер­гии. Исходя из опыта случившихся толчков и зная огромные скорости прохождения цепных химических реакций и цепных процессов маг­нитопластичности, главный удар может произойти сразу, без «раскачки», буквально за считанные милли­секунды. Но и это еще не вся картина, добавим в миксер нашего калейдо­скопа-реактора газонасыщенность массива, его структурные геологиче­ские особенности, гидросостояние и еще много второстепенных параме­тров. В результате «игры природных сил» при изменении горного давле­ния в очаге землетрясения, как в ка­лейдоскопе, начнут образовываться бесконечные композиции состояния вещества: полей, волн и энергий. «Удачное» стечение каких-то случай­ных параметров при огромном вы­боре комбинаций и наличии доста­точного времени позволит природе легко смоделировать сейсмический удар. А кажущийся хаос этого про­цесса и случайность событий вполне могут оказаться пересечением зако­номерностей.

Единая модель образования землетрясений, горных ударов и внезапных выбросов пород и газов

Теперь, исходя из вышеописан­ных процессов, мы можем коротко описать модель очага землетрясе­ния. Представим очаг в виде объ­емного тела (рис. 3), размещенного на какой-то глубине и находящегося под действием сил всестороннего (объемного) сжатия горного дав­ления. На его поверхность будут действовать силы давления, пер­пендикулярные его поверхности. Эти силы вызовут сближение частиц тела, в результате чего произойдет уменьшение линейных размеров и объема тела. Связь между деформацией и на­пряжением выражается через из­вестный нам из школы закон Гука: P= - KQ, где К — модуль всестороннего сжа­тия, сжимаемость (модуль объ­емного сжатия, объемный модуль). Знак «минус» означает, что объем уменьшается с увеличением напря­жения. Сжимаемость — важ­нейшая характеристика вещества, которая позво­ляет судить о зависимости физических свойств от меж­атомных расстояний. При сжатии твердой среды в ней возникает сложная система механических напряжений, которые в общем случае изменяются от одной точки тела к другой, и создава­емое давление называют квазигидростатическим.

При постепенном форми­ровании горного массива увеличивалось горное дав­ление, которое неизбежно привело к уменьшению ме­жатомных расстояний и в конечном счете — к деформации мо­лекул и внешних электронных обо­лочек атомов, к изменению характе­ра межатомных взаимодействий, что неизбежно изменило физические и химические свойства вещества. В таком состоянии горный массив мог находиться неопределенно долго, пока вокруг очага землетрясения в результате различных явлений не из­менилось горное давление. В момент его изменения заработает природ­ный механизм, известный из школь­ной программы как Принцип Ле Шателье — Брауна (1884 г.), — если на систему, находящуюся в устой­чивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, электро­магнитное поле), то в системе уси­ливаются процессы, направленные в сторону противодействия измене­ниям. Принцип применим к равнове­сию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электри­ческому и др. Если сказать корот­ко, то этот принцип характеризует смещение равновесия при участии вторичных сил, индуцируемых в си­стеме той силой, которая непосред­ственно воздействует на систему, т. е. горным давлением. При увеличении горного давления смещение равно­весия связано с уменьшением обще­го объема системы, а уменьшению давления сопутствуют фи­зические или химические процессы, приводящие к увеличению объема. В мо­мент изменения давления в горном массиве очаг земле­трясения вследствие прин­ципа Ле Шателье — Брауна резко изменит свою фор­му и размеры (увеличится в объеме и размерах), что запустит в массиве хорошо изученный процесс упру­гого удара, который в виде механического импульса распространится в масси­ве со скоростью сейсми­ческой волны. На фронте волны будет действовать ньютоновская сила (изменение импульса), давление которой бу­дет пропорционально производной плотности импульса по времени и ко­торая при выходе на поверхность вы­работки вызовет сейсмические раз­рушения. Количество движения будет распространяться в среде в виде про­дольной волны, а момент количества движения — в виде поперечной вол­ны. Следовательно, сейсмическое излучение землетрясения есть не что иное, как распространение механи­ческого импульса в горном массиве в виде сферических волн, а землетря­сение — это обыкновенный и хорошо изученный упругий удар при внезап­ном увеличении объема пород очага землетрясения.

Сергей Бычков, горный инженер, Университет Британской Колумбии

Источник: журнал «Наука и техника» № 1 2019