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
