Источник землетрясений в свете догмы Рейда-Рихтера

Рис.5 Магнитострикция

Радиолиз.

Разложение химических соединений под действием ионизирующих излучений в результате протекания радиационно-химических реакций. При радиолизе могут образовываться как свободные радикалы и ионы, так и отдельные нейтральные молекулы, вызывающие процессы деструктивного характера, протекающие при поглощении веществом энергии ионизирующего альфа-излучения. Альфа-излучение - это ядра атомов гелия, которые положительно заряжены. Естественное испускание характерно для неустойчивых радионуклидов рядов тория, урана. Альфа-частицы вылетают из ядра со скоростью до 20 тысяч км/сек. Они образуют сильную ионизацию среды, отрывая электроны из орбит атомов. Помимо свободных радикалов и ионов, которые сами по себе способны включить процесс цепной химической реакции, в результате радиолиза образуются углеводородные продукты, которые вносят свою лепту в процесс подвижек земной коры. Хорошим примером радиолиза под действием альфа - излучения может служить распад молекулы воды, которой предостаточно в земной коре, по следующей схеме: под действием излучения из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженный ион воды:

– >Н2О ->е- + Н2О+ (9)

"Вырванный" электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды:

е- + Н2О -> Н2О- (10)

Ионы воды, которые при этом образовались, в свою очередь диссоциируют с образованием свободных радикалов водорода и гидроксида

(Н• ОН•): Н2О+ -> Н+ + ОН•; Н2О--> Н• + ОН- (11)

Срок жизни свободных радикалов - доли секунды, в течение которых наступает рекомбинация и восстановление нормальных молекул воды. Однако в результате исключительной реактивной способности в эти короткие промежутки своего существования свободные радикалы воды дают толчок другим реакциям, развивающимся по цепному самоускоряющемуся типу, а также, что особо важно для нас, к нарушению ее кристаллической структуры. То есть возникает радиастрикция, или деформация горного массива под действием радиации. Учитывая то, что носители радиоактивности широко распространены в земной коре и то, что радиолиз может радикально смещать равновесие химических реакций, инициировать и катализировать прохождение различных процессов, то нам следует признать, что радиолиз вполне может и является одним из потенциальных виновников спускового крючка подземных толчков.

Электромеханические эффекты

Пьезоэффект

Один из эффектов этого класса - пьезоэффект. О нём все всё давно знают, этот процесс изучен вдоль и поперёк, но почему-то (почему?) считается, что он никак не способен повлиять на такие мощные процессы, как подземные толчки. Но, важен не сам пьезоэффект, а то, что это ещё одно практическое доказательство возникновения электрических и магнитных полей в горном массиве, способных не только вызвать появление электрического заряда, но и способность горного массива деформироваться и в процессе деформации изменять свои геометрические параметры. Как мы знаем, существуют два взаимообратных пьезоэффекта: Прямой пьезоэффект возникает в том случае, когда упругая деформация кристалла ассиметрично искажает распределение положительных и отрицательных зарядов в структуре твёрдого тела, в результате чего возникает общий дипольный момент, те сеть возникает поляризация твёрдого тела. Как итог появляется электромагнитное поле. Обратный пьезоэффект возникает в массиве в том случае, когда внешнее электромагнитное поле вызывает искажение его размеров, проявляющееся в виде его деформации.

5.4.2. Пироэлектрический эффект

Следующий из эффектов этого класса - пироэлектрический эффект. Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной или спонтанной поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые появляются на поверхности пироэлектрика из его объёма и из окружающего пространства. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами. Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при механической деформации. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов.

5.4.3 Сегнетоэлектрический эффект

Следующий эффект этого класса - сегнетоэлектричество, или явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которое может быть переориентировано его приложением. Сегнетоэлектрики отличаются от пироэлектриков тем, что при определённой температуре их кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация пропадает. При возникновении спонтанной поляризации сегнетоэлектрики обладают выраженным аномалиям электрических и других свойств, и в них при температуре ниже точки фазового перехода возникают спонтанные деформации и понижается симметрия решетки.

Эффект генерации электрического заряда при кристаллизации элементов горного массива

При соприкосновении двух тел, состоящих из различных веществ либо из одного вещества, но в разных фазах, на их границе возникает электрический заряд. Известно, что большинство примесей не передаются кристаллу, когда он начинает расти. При этом примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Можно ожидать, что, вследствие различий в подвижности ионов разных фаз горного массива, при кристаллизации и перекристаллизации элементов массива, будет происходить сепарация ионов, а в результате - его электризация. Такое представление было выдвинуто Воркменом и Рейнольдсом [17], которые наблюдали электризацию при кристаллизации льда, но еще в 1942 г, Рибейро установил, что это справедливо не только для льда, но для органических диэлектриков и других материалов. Необходимо заметить, что процессы кристаллизации элементов горного массива предшествуют и сопровождают все виды землетрясений, за исключением обвальных, техногенных и динамических проявлений в шахтах. Возникновением электрического разряда при кристаллизации льда можно объяснить происхождение морозобойных землетрясений, а процессами кристаллизации пород горного массива можно объяснить вулканические и глубокофокусные землетрясения.

Сущность приведённых выше эффектов сводится к тому, что помещенные в электрическое поле породы массива начинают взаимодействовать с ним в зависимости от свойств пород и интенсивности поля. При наличии свободных зарядов - электронов или ионов, они начинают перемещаться, т.е. появляется электрический ток. Обратный процесс происходит при деформации пород. В породах, не обладающих свободными зарядами, происходит либо смещение внутренних связанных зарядов и неполярные электрически нейтральные молекулы становятся полярными, либо происходит ориентирование молекул, обладающих дипольным моментом. То есть происходит поляризацией породы со всеми вытекающими из этого последствиями - в горном массиве начинаются происходить деформации, которые аномально усиливают друг друга, вызывают другие реакции горного массива и вполне могут послужить спусковым крючком землетрясения, горного удара или внезапного выброса. А то, что порода может прекрасно служить проводником электрического тока, было доказано много раз. Например, Ф.Т. Фройнд [F.T. Freund], поставил опыт [18], который показал, что горная порода фактически является проводником. Проводимость породы, подверженной механическому удару или напряжению, увеличивается во много раз. Его опыт Рис.6 показал поведение образца породы (гранит - пурпурный прямоугольник) под действием механического возбуждения ("удар" - жёлтая стрелка, жёлтая вертикальная линия). Электрический ток (синяя кривая) измерялся между электродом (красный прямоугольник) и тремя катушками (оранжевый, зелёный и синий прямоугольники).

Sott.net, на основе данных F.T. Freund

Рис.6 Электрические эффекты механического удара по граниту.

До удара электрод и три обмотки показывают нулевой сигнал. Внутри породы электрический ток отсутствует. После удара (примерно через 50 микросекунд) гранит начинает проводить электричество. Все три катушки и верхний электрод фиксируют внезапный скачок электрического тока, идущего через камень.

Цепная химическая реакция в горном массиве

Причины появления электрического заряда, ЭДС самоиндукции и свободных радикалов в горном массиве, приводящих к цепной химической реакции и взрывной десорбции газов в горном массиве при изменении горного давления, хорошо объяснимы в сравнении с Холодным взрывом. Холодный взрыв [14, 15] явление цепной химической реакции, происходящей при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Эффект был открыт в 1980 году в Институте химической физики АН СССР. Первоначально реакция была обнаружена для смеси метил циклогексана и хлора, охлаждённой до температуры ~10 К. Инициирование реакции обеспечивается лучом лазера, разбивавшим молекулы хлора на активные радикалы. В дальнейшем смесь быстро охлаждалась, превращаясь в стекловидную массу. В диапазоне температур от 60 до 10 К происходит взрыв. Механизм реакции объясняется наличием в образце деформаций сжатия, возникающих при быстром охлаждении в ходе самой реакции. При понижении температуры деформации в образце не успевают релаксировать, в породе появляются свободные радикалы, их число лавинообразно нарастает, что приводит к взрыву. Отличие процесса подвижек массива от процесса Холодного взрыва заключается в том, что в горной породе возникают не деформации сжатия, а деформации растяжения, а инициатором начала цепной реакции служит не луч лазера, а резкое изменение горного давления. А дальше всё происходит, как при Холодном взрыве - деформационные напряжения в горной породе не успевают релаксировать, в породе происходит образование свободных электронов-радикалов, электрического заряда и связанных с ним процессов электромеханических эффектов, поляризации пород, лавинообразного потока свободных радикалов, цепным реакциям растворённых в кристаллических решётках газов и обвальному деппинингу дислокаций. Всё это приводит к Деформационному взрыву, а он в свою очередь к образованию ударной волны. Основной идеей Деформационного взрыва является утверждение того, что весь процесс построен на скачкообразном изменении горного давления в массиве и появлению за счёт этого в массиве электрического заряда и как следствие к различным электромеханическим процессам в массиве, одним из которых является исход газов из кристаллической решётки пород горного массива. Это порождает перестройку кристаллической решётки и, следовательно, вся запасённая энергия сжатия кристаллической решётки реализуется в виде ударной волны. Если рассматривать процесс землетрясения и внезапного выброса с самого начала, то есть от начала формирования горного массива, то за многие миллионы лет газы атмосферы, газы углеводородов, магматические и другие газы, под действиями высоких температур и горного давления сорбировались породами горного массива в виде адсорбций, абсорбций и хемосорбций. В результате этого создавались связи с образованием устойчивых химических соединений, то есть в кристаллических решётках пород образовывались твёрдые растворы газов. Такая возможность была доказана российскими учёными, которые выполнили комплексные исследования по накачке пород газом (И.Л.Гуфельд, ОИФЗ РАН совместно коллективом НПО "Луч" МинАТОМа), исследования А.Ю. Намиота, М.М. Бондарева из Института Нефти, Л.Л. Шанина из ИГЕМ, В.В. Чердынцева из ГИН [&]. Эти опыты подтвердили, что при повышенных температурах и давлениях, газы, преодолевая энергетическое сопротивление кристаллических связей минералов и пород, вторгаются внутрь их структур, и переводят системы в метастабильную субстанцию. Фотографии каменного угля с включениями твёрдого раствора метана СН4 с помощью электронного микроскопа выполнилавтор научного открытия "Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов"профессор Айруни А.Т.[19]. То есть, в процессе эволюции произошла накачка горных массивов различными газами и мы, по сути, получили целые горные зоны пород готовые к их мгновенной реализации. Теперь природе остаётся найти "запал" для этой готовой бомбы, чтобы при стечении определённых горных факторов прогремел взрыв. Одним из таких "запалов" являются свободные радикалы газов, которые образуются в горном массиве при резком падении горного давления. Общая формула образования свободных радикалов имеет следующий вид:

X-> X•+ + e / Y + e -> Y• (12)

В качестве примера рассмотрим прохождение цепной реакции молекулами водорода и кислорода (как наиболее изученной) Рис.7. Инициирования процесса цепной реакции:

H2 + O2-> 2OH• (13)

H• + O2->OH• + O• (14)

O• + H2-> OH• + H• (15)

OH• + H2->H2O + H• (16)

Мы получили три последовательные реакции (14,15,16) с суммирующей реакцией:

Н• + О2 + 2Н2 -> ОН•+ 2Н• (17)

где одна активная частица превращается в три активных частицы: атомы кислорода O•, водорода Н• и свободный радикал ОН•

Рис.7 где: O*, H*, OH, H2, O2- кислород, водород, их активные частицы и радикал.

Так как цепные реакции очень "капризны" к условиям, составу и прочим различным факторам, некоторые активные частицы могут погибнуть, не дав продолжения цепи, то приведённая схема реакции может выглядеть иначе. На самом деле подробная кинетическая схема химических реакций включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси, а при наличии в системе соединений азота, углерода и других примесей число ветвей реакций существенно увеличивается. Не в этом суть, а том, что даже одного радикала с энергией 17 микро Джоуля может хватить, чтобы число активных центров начало расти в геометрической прогрессии и реакция перешла во взрывной режим. Для реакции каждой активной частицы с молекулой исходного вещества требуются миллиардные (!) доли секунды. За эти миллиардные доли секунды должны перестроиться и кристаллические решётки пород вмещающих газ, выделив при этом энергию затраченную массивом на деформацию решёток, изменив при этом свой объём и форму(!). Из практического опыта наблюдения и изучения внезапных выбросов хорошо известно, что в этом процессе могут принимать участие не только метан и водород, но и другие химические вещества. К примеру, известны внезапные одномоментные выбросы в миллионы кубических метров газа. Основными участником таких событий были газы: СH4, СО2, H2, N2 . Например, при Крымском землетрясении 1927 года [20] его очаг располагался в море и рыбаки, находящиеся в это момент в эпицентре, отметили вскипание моря и шум от выводящего из воды газа. Это указывает на то, что при землетрясении происходит резкая десорбция горного массива. Как показывает практика, все представленные в земной коре породы в процессе метаморфизма могут стать абсорбентами газов. Даже основные породы земной коры - базальты, обладающие высокой крепостью и плотностью и, казалось бы, неспособные служить адсорбентом, в процессе метаморфизма становятся идеальными очагами землетрясения. Так результаты [21] бурения сверхглубокой Тюменской скважины, полностью подтверждают этот вывод. С глубины 6424 метра скважина вскрыла толщу базальтов, которые в отличие от аналогичных по возрасту и составу пород,оказались сверхпористыми породами и превратились в идеальные адсорбенты.

Давайте рассмотрим образование малых форм землетрясений - горных ударов и внезапных выбросов с позиций возможности инициирования этого явления цепной химической реакцией. Глазами современной науки [22,23,24] газ, растворённый в горном массиве, при резком уменьшении окружающего горного давления, взрывообразно десорбируется из горного массива с выделением потенциально энергии сжатия газа и прорывается в горную выработку. Но мы прекрасно знаем, что адсорбированный газ при снятии внешнего давления переходит в свободное состояние и выделяется из породы не мгновенно, а в течение одного - двух часов. А абсорбированный газ выделяется из горного массива в течение несколько суток и недель, а хемосорбированный газ покидает горную породу в течение десятков лет и в большинстве случаев остаётся химически связанным с массивом навечно. Очевидно, что в таком случае, ни о каком резком и внезапном выбросе газового "мешка" из горного массива не может быть и речи, ибо свободного газа там нет до той минуты, пока в массиве не пройдёт цепная химическая реакция. Первый вопрос, на который мы должны ответить, это существуют ли в горном массиве те миллионы кубометров растворённого в нём газа? Ещё на заре становления угольной отрасли, немецкий химик Виктор Мейер провёл интересные опыты с определением количества газов, выделяемых из каменного угля при различных температурах [25]. Он нагревал стограммовые кубики угля с длинной ребра примерно 4 сантиметра до 3000 С и получал на выходе в среднем 1850 см3 различных газов (СО2 - 1,4%; СН4 - 98,5%; азота - 0,1%). То есть пылинка угля в 1 грамм выделяет примерно 18,5 см3 газов готовых вступить в химическую реакцию. К этой цифре надо добавить примерно 20% хемосорбированного газа, а также можно с уверенностью сказать, что количество газов при увеличении температуры нагрева угля значительно возрастёт, как и скорость прохождения химических реакций. В таблице 1 приведены некоторые данные по выбросам на шахтах мира [26]: