CC BY
0
О ВНУТРЕННЕМ СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ И МЕХАНИЗМЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Р.З. Камалян1, д-р техн. наук, профессор Н.С. Нестерова2, канд. техн. наук, доцент Российский университет кооперации
2Академия маркетинга и социально-информационных технологий - ИМСИТ (Россия, г. Краснодар)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-5-206-211
Аннотация. Обсуждаются теоретические аспекты формирования структуры Земли, развитие внутренних конвективных процессов, обусловливающих движение литосферных плит и зарождение очагов землетрясений. Рассмотрены возможные пути получения количественных закономерностей, характеризующих процессы внутри земли. Проведённый анализ позволил в терминах современной механики дать объяснение, почему достижение критического состояния приводит к возникновению разрушения в очаге в динамическом режиме, а не в квазистатическом. При этом авторы строят свои рассуждения придерживаясь теоретических воззрений академика С.С. Григоряна по проблемам глобальной геодинамики.
Ключевые слова: модель, источник, Земля, деформация, давление, тектоника, трещина, землетрясение.
Земля - уникальное образование Солнечной системы, в которой протекают необычайно активные внутренние процессы [1]. Только у Земли развито мощное магнитное поле, на Земле существует огромная жидкая поверхность- океан, только на Земле внешняя оболочка пребывает в постоянном движении и населена живой материей.
Изучение такой удивительной планеты не только очень интересно, но и важно практически - постоянно возникающие землетрясения [2], извержения вулканов [3, 4], активность водной стихии [5] создают большую опасность для жизни на Земле. Прошедший 2023 год еще раз продемонстрировал все последствия природных стихий. К примеру, сильные землетрясения потрясали, а мощные волны омывали берега и заливали города истори-
ческой Византии. Фигура и строение Земли интересовали людей с древних времен [6] и интересуют по сей день [7, 8]. Однако о внутреннем строении Земли могут быть сделаны некоторые теоретические умозаключения, которые будут более приблизительны, чем выводы о внутреннем строении атома. Причиной является то, что заключения о Земле приходится делать по наблюдениям, выполненным на ее поверхности. Ведь нельзя же расколоть Землю, чтобы увидеть, что у нее внутри. Конечно, существуют математические приемы, позволяющие связать наблюдения на поверхности с тем, что происходит внутри Земли. Например, согласно теореме расходимости (теорема Гаусса- Остроградского) поток любого вектора ¥ по объему V, ограниченному поверхностью Б равен
J Fnds = J
div F dV,
где Рп - составляющая ¥ по нормали к Б в любой точке.
Так, тепловой поток на земной поверхности связан с его расходимостью, т.е. источниками тепла внутри Земли. Сила тя-
жести на поверхности связана с распределением плотностей или масс внутри [1, 2]. Но очевидно, существует бесконечное число возможных распределений источников внутри Б, которые соответствуют од-
s
v
ному и тому же значению объемного интеграла. Например, источники распределены равномерно или, наоборот, могут быть сосредоточены в нескольких местах. Это отсутствие «единственности» математических решений характерная черта геофизики [9], из-за которой обычно проходится прибегать к обратной процедуре, т.е. к переходу построения модели методом решения обратной задачи геофизики [8]. Иными словами, допускать распределение источников (плотности, тепла, упругих модулей К и ц, скоростей продольных и поперечных волн и т.д.), вычислять эффект этого распределения на поверхности, сравнивать его с фактическими. Если расчеты не соответствуют наблюдениям, должна быть построена новая модель и сделаны новые вычисления. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет получено хорошее соответствие [8].
Большая часть знаний о состоянии земных недр получена при изучении гравитационного поля Земли и распространения в ней сейсмических волн [10]. Сила тяжести дает сведения о распределении масс, которые при использовании их совместно с данными сейсмологии позволяют наложить ограничивающие условия на распределении плотности [11]. Скорости сейсмических волн дают дополнительные сведения об упругих параметрах, из которых можно получить некоторые данные о вероятном составе земных недр [8, 12].
Согласно [8,12] на глубине около 900 км наблюдается резкий перелом в скорости распространения сейсмических волн. До указанной глубины скорости нарастают быстро, а ниже, вплоть до границы с ядром, они увеличиваются очень постепенно. На границе с ядром имеется небольшое плато скоростей, причина появления которого до конца не понята. Падение скорости продольных волн при переходе из мантии в ядро связано с тем, что ядро жидкое и состоит из более плотного вещества. Оказалось, что модули сжатия К для мантии и ядра на их границе примерно равны, а плотность мантии заметно меньше плотности ядра [8]. Во внешнем ядре возрастание скорости волн происходит плавно и обусловлено ростом давления к
центру Земли. Скорость в переходной зоне ядра Земли возрастает, что обусловлено переходом вещества из расплавленного состояния к твердому, кристаллическому состоянию. Скорость продольных волн во внутреннем ядре почти не меняется, так как давление в этой области Земли возрастает очень слабо.
Существуют множество теоретических разработок по описанию, протекающих в теле Земли процессов [8], однако для их понимания и прогнозирования в целом этих теорий недостаточно. Согласно [13], необходима теория, с помощью которой можно было бы описывать не только современное состояние, но и эволюцию Земли во времени от момента, когда началось скопление мельчайших компонентов в процессе формирования планеты до ее современного облика и внутренней динамики. Конечно, такая теория не может быть очень точной, но она должна быть концептуально корректной и давать возможность делать также прогнозы на будущее [13].
На основе имеющихся научных представлений и накопленных фактов такую теорию эволюции разработать можно и уже имеются некоторые упрощённых варианты соответствующих моделей [14]. И хотя эти модели действительно сильно упрощены, тем не менее они дают некое представление о том, как протекал процесс формирования Земли.
Современный взгляд на возникновение Земли базируется на том, что сначала в сфере действия гравитации собирались отдельные разномасштабные сгустки холодной материи, называемые планетезималя-ми [15, 16]. В результате постепенного захвата все большего числа сгустков возрастала конфигурация материала Земли, и когда она достигла определенный величины, начались ее сжатие и разогрев, началась внутренняя жизнь - тепловая, механическая, химическая и т.д. В силу того, что первичный состав сгустков был весьма неоднородным, разогрев тела должен был приводить к тому, что при постепенном повышении температуры она достигла точек плавления сначала легкоплавких материалов. В результате они начинают выплавляться и образуется пористая структу-
ра у тугоплавких твердых материалов, поры которой заполнены расплавом, а поскольку тело находится в поле силы тяжести, то расплав начинает фильтроваться или выжиматься через поры и одновременно происходит деформация самой пористой структуры. Если расплав тяжелее пористой матрицы, он опускается вниз, при этом происходит освобождение гравитационной энергии. Этот процесс проходит медленно, в виде вязкой фильтрации, поэтому освобождение гравитационной энергии будет не динамическим, а тоже медленным, энергия будет просто превращаться в тепло, которое, в свою очередь будет менять термомеханические свойства и пористой матрицы, и расплава, заставляя течь также и тугоплавкие материалы.
Способность твердых природных материалов к вязкому течению хорошо известна не только из теоретических расчетов, но и из прямых лабораторных экспериментов в условиях повышенных температур и давлений. В 50-х годах двадцатого столетия было открыто несколько механизмов чрезвычайно медленной ползучести кристаллических материалов, что придает им способность течь [11]. Термомеханические свойства таких материалов непостоянны, это нелинейные среды, обладающие сильно нелинейной зависимостью между напряжениями, скоростями деформаций и температурой. В условиях эволюции земных недр эта нелинейность реологических соотношений приводит к весьма существенным, для правильного описания такой эволюции, последствиям.
Обратимся теперь к тепловым процессам в земных недрах [13]. Допустим, что где-то в глубинных слоях Земли начался разогрев, затем температура достигла точки плавления самых легкоплавких материалов, и начался процесс их плавления и фильтрации через пористую матрицу из тугоплавких пород, как в придонном слое ледника [17]. Обычно в первую очередь начинают выплавляться металлы, которые тяжелее тугоплавких силикатов, и поэтому расплав фильтруется вниз. В силу каких-то случайных факторов, например, из-за приливного действия Луны, вращения Земли и т.п., развитие этого процесса не может
быть центрально-симметричным. В результате фильтрация расплава и вязкое течение матрицы из-за температурной и реологической нелинейности будут обостряться, возникнет локализация течения и разогрева, и пространственная неоднородность всех этих явлений. В местах локализации течения тяжелый компонент будет перемещаться вниз, а матрица всплывать, т.е. возникнут локальные вертикальные движения. Для компенсации этих движений (поскольку они происходят в сферическом объеме рассматриваемого тела) будут возникать медленные движения и в остальной части тела- в еще не дифференцированной частичным плавлением мантии. В результате сформируются резкие азимутальные неоднородности. Такая картина движений называется конвекцией в мантии [11]. Всплывая в одном месте, матрица порождает опускание вещества в другом, возникают циркуляционные конвективные ячейки [11].
Существующие теории мантийной конвекции и дифференциации вещества Земли весьма несовершенны и упрощенны, ибо в них рассматривается тепловая конвекция в однородной несжимаемой невязкой жидкости, принимаемой в качестве модели вещества мантии [8, 11, 18]. Но при такой постановке задачи не может быть эффектов типа теплового взрыва [19]. Важнейшим принципиальным моментом, согласно [13], в задаче эволюции планеты Земля и ее тектоники является необходимость учета сильной нелинейности термомеханических эффектов в ее материале, которая порождает резкое обострение, локализацию областей нагрева, плавления и т.д.
Только теория, учитывающая нелинейность термомеханических процессов, в состоянии определить реальную картину неоднородности, динамику и темп, измененный во времени процессов в Земле. Все это еще предстоит сделать. А в существующих моделях мантийной конвекции не получаются реальные геометрические соотношения между размерами конвективных ячеек в вертикальном и горизонтальном направлениях. Если бы конвекция определялась линейной реологической моделью среды, то ячейки были бы одного
размера по вертикали и по горизонтали. Однако этого не наблюдается-ячейки сильно вытянуты по горизонтали образования [13].
Характеристики наблюдаемых процессов, в частности размеры природных образований, могут служить как для определения параметров математической модели, устанавливающей закономерности развития конвективных процессов в недрах Земли, так и для верификации самой модели. Однако до сих пор нет еще детальной математической разработки, описывающей с необходимой точностью все эти процессы. Для этого, как отмечается в [13], необходимо понимание того, что происходит в изучаемом объекте, понимание внутреннего механизма интересующих нас явлений.
Итак, обстановка, которая сложилась на планете Земля, с неизбежностью породила тектонику плит и движение кусков литосферы в разных направлениях [11, 20]. Эти разнонаправленные движения могут быть реализованы только благодаря разрушению литосферных плит в местах их столкновений, ибо если бы земная кора (литосфера) была бы бесконечно прочной, то никакого дифференцированного движения в ней не происходило бы. Однако оно имеет конечную прочность и силы, которые интегрируются на плитах на протяжении тысяч и десятков тысяч километров их характерных размеров, дают величины, намного превосходящие прочность на контактах плит, поэтому плиты налезают одна на другую, происходит так называемая субдукция [11]. И поскольку поверхность имеет неровность, движение сопровождается разрушениями, происходит рывками, порождая землетрясения.
Что же такое землетрясение, что есть причина землетрясения, каков механизм развития очага и быстрого освобождения энергии из него, порождающие сейсмические волны? Из анализа современного состояния уровня развития наук о Земле следует, что землетрясение- чисто механический процесс. Принимая самую простую модель взаимодействия литосферных плит [21, 22], можно предположить, что очагом землетрясения является место зацепления двух плит, побуждаемых к ак-
тивному движению мантийными течениями. Такое зацепление временно затормаживает движение вокруг себя, но вдали движение продолжается. Поэтому в окрестности зоны зацепления накапливаются механические напряжения, и когда их значения достигают предела прочности на разрушение материала стыка плит происходит их разрушение по линии зацепления. Разрушение при этом происходит в динамическом режиме и энергия статических напряжений, накопленная в горном массиве вокруг зоны зацепления, освобождается и переходит в энергию генерируемых этой зоной упругих волн- возникает землетрясение [21, 22].
Такова простейшая механическая модель процесса подготовки и возникновения землетрясения, которая основана, в частности, на использовании представлений современной механики разрушения [23]. Согласно этим представлениям, разрушение может происходить как в медленном режиме, квазистатическими образом, так и путем возникновения и быстрого распространения фронта разрушения, в зависимости от того, с каким из двух основных типов задач этой теории имеем дело. Первый тип соответствует случаю, когда для увеличения размеров трещины в упругой конструкции с повреждением (трещиной), приложенную внешнюю нагрузку нужно увеличивать, т.е. когда связь между разрушающей нагрузкой и размером трещины монотонно растущая. Второй тип задачи- когда этой связи соответствует «падающая диаграмма», т.е. когда большей длине разрушенной зоны соответствует меньшая внешняя нагрузка. Существуют также и «смешанные» случаи, когда при небольших размерах повреждения этот размер растет с ростом нагрузки, а затем, когда достигается некоторый максимум нагрузки, дальнейшему увеличению длины трещины соответствует меньшая нагрузка.
Описанные два основных типа задач и диаграмм разрушения различаются способом приложения нагрузки к конструкции с повреждением. Если нагрузка приложена к поверхности зоны повреждения, то трещина будет равновесной, устойчивой, разру-
шение будет происходить медленно, ква-зистатически, что, вообще-то, сравнимо с механизмом гидроразрыва пласта [24]. Если же к конструкции приложена распределенная «на бесконечности» нагрузка, т.е. если размеры зоны приложения нагрузки намного больше размера повреждения и приложена она вдали от повреждения, то статическое состояние трещин оказывается неустойчивым (возникает падающая диаграмма) [23]. Это означает, что если такую конструкцию медленно нагружать, наращивая приложенную вдали распределенную нагрузку, то в некоторый момент, когда нагрузка достигает величины, соответствующей точке на падающей диаграмме, наступает критический момент. Дальнейшее малейшее увеличение нагрузки или какое-либо иное возмущение приведет к несоответствию между размером трещины и величиной нагрузки. Трещина будет распространяться в динамическом режиме со скоростями, близкими к скоростям распространения упругих волн, и первоначально накопленная вокруг трещины энергия будет превращаться в энергию упругих волн, излучаемых из этой области [21].
Характер нагружения в зоне зацепления литосферных плит относится ко второму случаю. Внешняя нагрузка здесь распределена "на бесконечности" т.е. плиты движутся независимо от того, есть зацепление или его нет. Поэтому в момент, когда в зоне зацепления будет достигнуто предельное по нагрузке состояние, начнется динамический тип разрушения зацепления с переходом, накопленной вокруг него энергии статического поля напряжений в энергию излучаемых упругих волн, т.е. возникает землетрясения [22].
Этот простой анализ процессов разрушения позволяет понять, согласно [21], природу развития очага землетрясения и возникновения землетрясений как динамических эффектов, сопровождающих динамическое разрушение в очаговой зоне. Отсюда также следует, что теория развития термомеханических процессов в мантии Земли, тектонических взаимодействий литосферных плит и механизм разрушений в местах таких взаимодействий достаточно адекватна и на ней можно базировать, в частности, организацию систем мониторинга предвестников эффектов для предсказаний землетрясений [22].
Библиографический список
1. Ферхуген Дж. Земля. Введение в общую геологию / Дж. Ферхуген, Ф. Тернер, Л. Вейс, К. Вархавтинг, У. Файф. - М.: Мир, 1977. Т. 1 и Т. 2. - 845 с.
2. Эйби Дж.А. Землетрясения. - М.: Недра, 1981. - 264 с.
3. Тазиев Г. Землетрясения и вулканы. - М.: Мир, 1967. - 263 с.
4. Апродов В В. Вулканы. - М.: Мысль, 1982. - 367 с.
5. Болт Б.А. Геологические стихии / Б.А. Болт, Д.Л. Хорн, Г.А. Макдональд, Р.Ф. Скотт - М.: Мир, 1978. - 440 с.
6. Лебедев В.Л. Исторические опыты по физике. - М.: ОГИЗ, 1936. - 66 с.
7. Шимбирев Б.П. Теория фигуры Земли. - М.: Недра, 1975. - 432 с.
8. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. - М.: Наука, 1983. - 416 с.
9. Чечкин С.А. Основы геофизики. - Л.: Гидрометиоиздат, 1990. - 288 с.
10. Старостенко В.И., Дядюра В.А, Заворотько А.Н. Об интерпретации гравитационного поля методом подбора / Физика Земли. - 1975. - №4. - С. 78-85.
11. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред (в2-х частях). - М.: Мир, 1985. - 730 с.
12. Белоусов В.В. Глубинное строение и развитие Земли // Земля и Вселенная. - 1967. -№1. - С. 18-31.
13. Григорян С.С. О проблемах глобальной геомеханики, сейсмологии и сейсмостойкого строительства // Механика грунтов. - МГУ, 1992. - С. 4-9.
14. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. - М.: МГУ, 1998. - 446 с.
15. Камалян Р.З. Из истории развития представлений о строении Земли // Вестник ИМ-СИТА. - 2016. - №3. - С. 50-53.
16. Сафронов В.С. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. - М.: Наука, 1969. - 244 с.
17. Григорян С.С. Механика ледников / Механика и физика льда // МГУ, 1983. - С. 101107.
18. Жарков В.Н., Размайкина Т.В. О конвективной устойчивости верхней мантии Земли // Физика Земли. - 1997. - №10. - С. 25-33.
19. Григорян С.С., Божинский А.Н. Внутренний разогрев и движение холодных ледников // Материалы гляциологических исследований. - М.: МГУ, 1978. - С. 92-98.
20. Шульц С.С. Тектоника Земной коры. - Л.: Недра, 1979. - 272 с.
21. Григорян С.С. О механизме возникновения землетрясений и содержании эмпирических закономерностей сейсмология // ДАН СССР. - 1998. Т. 299. №5. - С. 1094-1101.
22. Григорян С.С. О предсказании землетрясений // ДАН СССР. - 1989. - Т. 306, №3. -С. 1083-1086.
23. Разрушение / под ред. Г. Либовица. - М.: Мир, 1973-1975. Т. I-VII.
24. Джемалинский В.К., Камалян Р.З., Конышев А.И. О некоторых особенностях гидравлического разрыва пласта // ФТПРПИ. - 1991. - №5. - С. 114-120.
ABOUT THE INTERNAL STRUCTURE OF THE EARTH AND THE MECHANISM OF
EARTHQUAKES
R.Z. Kamalyan1, Doctor of Technical Sciences, Professor
N.S. Nesterova2, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
1Russian University of Cooperation
2Academy of Marketing and Social Information Technologies - IMSIT (Russia, Krasnodar)
Abstract. Theoretical aspects of the formation of the Earth's structure, the development of internal convective processes that determine the movement of lithospheric plates and the origin of earthquake sources are discussed. Possible ways to obtain quantitative patterns characterizing processes within the earth are considered. The analysis made it possible to give an explanation in terms of modern mechanics why reaching a critical state leads to the occurrence of destruction at the source in a dynamic mode, and not in a quasi-static one. At the same time, the authors build their arguments adhering to the theoretical views of Academician S.S. Grigoryan on problems of global geodynamics.
Keywords: model, source, Earth, deformation, pressure, tectonics, crack, earthquake.
