CC BY
63
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ __ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА____________
Там 288 1976
ВЫСОКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ В ЗЕМНЫХ НЕДРАХ И ВОЗМОЖНАЯ ИХ РОЛЬ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И ГОРНОМ ДЕЛЕ
А. А. ВОРОБЬЕВ
Многие физические процессы в геосферах Земли, атмосфере и околоземном пространстве рассматриваются во взаимной их связи [I].
В известных теоретических схемах рассматривается случай удара молнии в грунт или заземленный объект и растекание тока прямого удара, возникновение шаговых напряжений в грунте и т. д. Рассматривается возникновение высоких электрических полей у концов заземленных объектов и случаи прорастания разряда с заземленных объектов в атмосферу. До сих пор пока не рассматривалось возникновение высоких электрических полей в литосфере и возможность различных процессов в недрах Земли при действии высоких электрических полей. Поверхность Земли обычно рассматривалась как граница области существования высоких электрических полей в атмосфере. В диэлектрических горных породах, как выходящих на дневную поверхность, так и находящихся в недрах, возможно возникновение высоких электрических полей и разрядов в них. Причиной возникновения высоких полей в диэлектрических горных породах в условиях залегания могут быть прямой удар молнии в грунт, явление электрической индукции при прохождении заряженного облака, электромагнитной индукции, обусловленной большими токами в ионосфере, явления трения, разрушения пород, облучения и другие физические процессы, протекающие вне земных недр. Некоторые из названных процессов являются способом перекачивания энергии из околоземного пространства в земные недра и пополнения энергетических запасов планеты. Образование трещины в диэлектрическом минерале или горкой породе сопровождается электризацией ее бортов и образованием поля высокой напряженности в трещине. Таким образом, трещи-нообразование представляется как способ превращения механической энергии в энергию электрического поля, а трещина является электростатическим генератором.
Нами выдвинута гипотеза о возможности электрических разрядов в земной коре, которая обоснована экспериментально и теоретически [2, 31. В земных условиях возможны различные физические превращения и^-^^г'П' ггдов энергии в энергию электростатического поля, на-хопле 1 ~ » « ъ до значения, при котором напряженность поля достигает ] * тектркческой прочности горных пород и происходят элект} ч 'зряды в среде [4]. Высокие электрические поля в зем-
ных недрах и их проявление над поверхностью.— высокое атмосферное электрическое поле — могут образовываться при большой плотности
электрических зарядов в диэлектрических породах высокого сопротивления. Состояние высокой концентрации зарядов не свойственно системе в состоянии устойчивого равновесия. Оно свойственно системе в состоянии с большим избытком свободной энергии. Например, когда горные тела близки к разрушению, а район близок к землетрясению.
Высокие электрические поля следует искать в районах глубинных разломов, в горных телах, в которых накоплены большие запасы упругой энергии.
Многократно отмечалось, что в районе будущего эпицентра землетрясения наблюдалось свечение атмосферы, электрические грозовые разряды, свечение люминесцентных ламп и экранов, аномалии атмосфер-но-электрического поля, пробой изоляции в кабелях, опущенных в скважины, аномалии магнитного поля и наличие большой вертикальной составляющей поля и многие другие явления, причиной которых может являться только высокое электрическое поле в районе очага будущего землетрясения. Все перечисленные явления исчезали после первого подземного толчка.
Следствием мощных электрических разрядов в земной коре могут быть сейсмические и различные другие геоэлектрические явления, связанные с изменением характеристик электромагнитного поля в недрах и над поверхностью земли, которое наблюдается перед землетрясением. Изменение электрического поля в атмосфере вследствие накопления локального заряда в недрах может влиять на электрические процессы в атмосфере и протекание предгрозовых явлений, а также токов в Земле. В плазме электрических разрядов в земных недрах так же, как и при разрядах в атмосфере, могут происходить плазмохимические реакции соединения и разложения, в результате которых образуются химические соединения и элементы; водород, кислород, углерод, металлы, входящие в состав горных пород, в том числе нефть, природные горючие газы. Соединения могли образоваться при плазмохимических реакциях в пустотах, ранее имевшихся в породах, и заполнить их. Например, в известняках, содержащих воду, в разрядной плазме могли протекать реакции разложения, сопровождавшиеся получением водорода и углерода. В последующих разрядах из углерода и водорода образовался метан, а далее и более тяжелые углеводороды, входящие в состав нефти и природного горючего газа.
Приведенные примеры показывают, что процессы образования химических соединений или получения химических элементов, их миграция и перераспределение в земной коре могут происходить за счет энергии электрического поля.
При большом значении величины энергии, выделяемой в разряде в земной коре, и малых потерях плазма может разогреваться до температуры, при которой возможно будет протекание ядерных процессов, образование радиоактивных ядер атомов и пополнение запаса радиоактивных материалов в земной коре. Кроме процессов превращения видов энергии в энергию электростатического поля, известных из лабораторной и производственной практики, а также наблюдений природных явлений в недрах Земли, возможны и другие специфические процессы преобразований, определяемые метаморфизмом, тектоническими и другими геологофизическими явлениями, специфически присущими только земным недрам. Последствия возникновения и распространения электрических разрядов г> земной коре наблюдаются при разряде молнии в поверхность Земли.. Сплавленные материалы в канале разряда в песчано-глинистых породах, называемые фульгуритами, встречаются часто в поверхностных слоях почвы. В некоторых случаях наблюдались фульгуриты длиной до 10 метров. Если для пористых пород разрядное напряже-
ние принять равным 103 в]сму то разряд на длине такого фульгурита происходит при напряжении 106 в. Электрические напряжения такой величины и более при разряде молнии были зафиксированы. В лабораторных условиях наблюдалось накопление электрических зарядов в минералах, стеклах, полимерах и образование разрядов в заряженных диэлектриках. Для опытов брались куски их различной величины [4]. Разработана математическая и физическая теории заряженных диэлектриков потоками заряженных частиц электронов, протонов или фотонов высоких энергий [I]. Основываясь на явлении заряжения диэлектриков объемом несколько десятков кубических сантиметров и разрядов в них, наблюдавшихся в лабораториях, описываются явления заряжения минералов и горных пород в земных недрах и разрядов в них также в малых объемах. Полученные закономерности в нашей гипотезе распространяются на явления заряжения и разрядов в горных породах объемом в несколько десятков кубических километров. Накопление зарядов также возможно в пустотах пород, заполненных жидкостью и газом. В последнем случае электризация может происходить вследствие тех же процессов, которые обусловливают электризацию в атмосфере. Пользуясь подробными данными, характеризующими Ташкентское восьмибалльное землетрясение 26 апреля 1966 года, мы произвели расчет электрических параметров очага землетрясения. Оказалось, что наблюдавшиеся перед Ташкентским землетрясением сейсмические, электрические и световые явления можно объяснить предположением, что в очаге землетрясения объемом 68 кжг был сосредоточен электрический заряд 104 к.
Электрический расчет параметров очага землетрясения на основании исходных инструментальных данных был произведен в трех вариантах. Были получены величины заряда, напряженности поля, плотности зарядов и другие величины, имеющие разумный порядок величины.
В электрическом поле, направленном по радиусу Земли, при наличии градиентов температуры, давлений и плотности материалов, возможно медленное прорастание начавшегося разряда, оплавление пород и образование сквозного канала, соединяющего поверхность земной коры и ее подошву. При таких условиях произойдет расплавление материала мантии в устье рассматриваемого канала и вулканическое или грязевое извержение.
Время до пробоя пород в земных недрах уменьшается с ростом значения величины напряженности поля. На некоторой глубине при одновременном действии петростатического давления, геотермического градиента время до пробоя достигает минимального значения. С повышением напряженности поля глубина залегания пород, для которых время до пробоя будет минимальным, смещается к центру Земли. При данных условиях пробой горных пород начнется на участке расположения максимума времени до пробоя и будет распространяться в радиальном направлении в глубину и в земной поверхности. По мере прорастания разряда в диэлектрике в сторону поверхности напряженность полк у его головки будет расти и скорость его продвижения увеличивается. Прорастание разряда к центру Земли будет тормозиться вследствие роста проводимости и падения величины напряженности поля у головки капала разряда. Протекание этих явлений объясняет прорастание канала разряда к дневной поверхности и явление вулканизма.
Толщина океанической земной коры составляет 8—10 кли Расчеты показывают, что на глубине 6—8 км при напряженности поля 3- 10Г) в! ли что соответствует электростатической прочности пористых диэлектриков при высоких температурах, количество пробоев достигает 1.000 в год. Некоторые из них могут прорастать на полную глубину земной коры [5]. Явление электрических разрядов в атмосфере, имеющее важное
2. Заказ Ла 2310.
- ГО/ С у
практическое значение для жизни нашей планеты Земли, широко и успешно изучается. До настоящего времени не обращали внимания на имеющийся разрыв в описании протекания геоэлектрических явлений, состоящих в следующем: в земной атмосфере, имеющей не очень высокие диэлектрические свойства, происходит преобразование видов энергии в электростатическую и электрическое заряжение сравнительно больших объемов облаков в атмосфере и протекание электрических разрядов. В земной коре, в литосфере, также имеются объемы, заполненные диэлектриками с высокими диэлектрическими свойствами, более высокими, чем в воздушной атмосфере, однако возможность протекания в литосфере электрических разрядов не рассматривалась. В нашей гипотезе разрядов в земных недрах дано описание геоэлектрических явлений и предложена гипотеза, устраняющая такой логический разрыв. Показано, что разряды в земных недрах также могут играть большую и разнообразную роль в жизни планеты. Разряды в горных породах могут быть также причиной взрывов и пожаров, случающихся в горных выработках, порчи приборов в электроразведке при производстве геологоразведочных работ, причины которых остаются невыясненными, и др. Нами были проведены опыты по заряжению горных пород и наблюдение разрядов в них как в лаборатории, так и в глубоких скважинах. Этими исследованиями была показана возможность заряжения горных пород и образования электрических разрядов в горных породах также и в земных недрах в разных условиях заряжения. Вследствие высокой прочности горных пород в земных недрах была достигнута длина разрядов в несколько сантиметров.
Рассматриваемая гипотеза геоэлектрических явлений, протекающих в сильных электрических полях, представляется важной для создания единого научного описания процессов преобразования видов энергии накопления электрических разрядов в атмосфере и литосфере. Этим самым может быть ликвидирован логический разрыв в учении о геоэлектрических процессах, который возникал вследствие различного рассмотрения геоэлектрических процессов в земных недрах и атмосфере, потери непрерывности, целостности в описании этих процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. А. Вор о бье-в. Физические свойства вещества в земных недрах. В лечат и.
2. А. А. Воробьев. Геология и геофизика, 1, (1971), № 12.
3. А. А. Воробьев. Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. М., «Энергия», 1970.
4. Ю. С. Деев и др. Атомная энергия. 29, вып. 4, 303, 1970.
5. А. А. Воробье в, В. С. Д м и т р е в с к и й. Известия вузов, «Геофизика». В печати.
