Причины землетрясений. Гипотеза деформационного взрыва и несостоятельность гипотезы Рейда-Рихтера

Конспект статьи «Источник землетрясений в свете догмы Рейда-Рихтера. Деформационный взрыв горных пород как источник сейсмической активности» 2018 год. Авторы статьи горные инженеры из Новокузнецка Бычков С. В. и Герусов А. И.

Cейсмология, как часть геофизики, существует, а реальные результаты исследований, которые заслуживали бы всеобщее доверие и признание, отсутствуют. Учёными-сейсмологами выполнены тысячи теоретических трудов, которые на самом деле никаким образом не отражают физического смысла землетрясения и его главной части - энергетического источника подземных толчков. Виною сложившемуся положению дел является гипотеза Рейда-Рихтера, ставшая догматическим фундаментом сейсмологии. На поверку эта гипотеза нарушает фундаментальные законы физики и, следовательно, является лженаучной.

Последовавшие за ними исследователи сейсмических процессов в силу академической инерции мышления, стереотипизации и низкого критического анализа предложенной идеи, мало того, что приняли эту гипотезу на веру, но и возвели её в ранг догмы. Отсутствие даже микроскопических результатов в деле прогноза и предотвращения землетрясений однозначно указывают на полное и провальное несоответствие современных представлений о природе землетрясений.

Значительная часть существующих сегодня моделей очагов землетрясений разработанных на платформе идей Г.Ф. Рейда и Ч.Ф. Рихтера сводится к идее накопления горным массивом энергии упругих деформаций, как источнике и движущей силе сейсмических подвижек. В рамках их концепций утверждается, что подземным толчкам предшествует появление препятствий смещению пород вдоль разлома горного массива, которое определяет постепенное повышение действующих упругих напряжений, что приводит к разгрузке накопленной энергии в виде толчков. До сих пор нет ответа на вопрос не только о способах и формах аккумулировании энергии горным массивом, но и о физическом смысле возникновения энергии в очаге землетрясений. Понятие энергии в данной догме сводит механику и физику этого процесса к банальному рассмотрению вопроса накопления и реализации энергии деформаций с позиции рессоры или пружины.

Может ли накапливать энергию горный массив? Нет, ибо вся упругая энергия будет тратиться на образование микротрещин и разрыв межмолекулярных и химических связей. При деформации частицы, которые находятся в узлах кристаллической решетки, смещаются из положений равновесия. Смещение атомных слоев идет не одновременно по всему объему, а может начинаться только в некоторых краевых частей горного тела, пласта, блока. Но никакой энергии аккумулировать массив не сможет, так как всю энергию деформаций он потратит на пластическое смыкание-размыкание трещин, а после этого массив опять превратится в упругое тело, не способное накапливать энергию.

Странно, но почему-то никто за последние столетие не попытался и не пытается объяснить с точки зрения физической, химической или математической модели работу природного аккумулятора энергии землетрясений. Нет ответа и на ещё один важный вопрос: что собой представляет явление или процесс, не позволяющий упругой энергии деформаций рассеиваться в окружающем пространстве, хотя бы в виде элементарного теплового излучения? Почему энергия не расходуется до последнего Джоуля на естественные, нескончаемые процессы метаморфизма, горообразования и тектогенеза горных пород, которые требуют ежесекундного грандиозного расхода энергии? Аккумулирование энергии любой существующей в природе горной системой противоречит хорошо известному любому физику и химику постулату Принципа Минимума Энергии, который гласит, что любая система стремится к самому низкоэнергетическому из доступных системе состояний.

Любое состояние горного массива с высокой энергетической накачкой крайне неустойчиво и горный массив будет всеми путями стремиться к скорейшему сбросу энергии, что и происходит, в первую очередь, при тепловой конверсии, метаморфизме, горообразовании. Именно принцип минимума энергии оградил нас от каждодневных мелких или разрушительных землетрясений и породил на нашей планете красивейшие и величественные горные системы. Избыточная энергия абсолютно любой системы "конвертируется не в виде потенциальной энергии упругих деформаций и мифической энергии резиновой отдачи Рейда, а в виде перехода одной формы энергии в другую. Это может вылиться в образование новых химических связей, изменение орбит электронов и структур в виде физических размеров и объёма, и, наконец, в напряжённости энергетического поля, с помощью которого происходит энергетический обмен и поддержание стабильности системы. Именно второй закон термодинамики постулирует невозможность передачи тепла от более холодной системы к более горячей. Проще говоря, не может физический булыжник, нагретый туристами в костре, не передавать полученную энергию тепла окружающей его природной среде и оставаться горячим много-много лет! Иначе нам пришлось бы давно погибнуть ибо согласно теории вероятностей, какой-нибудь один из сотен миллионов горных массивов, тектонических плит, блоков, пластов за миллиарды лет, что существует Земля, смог бы скопить и одномоментно реализовать такое количество энергии, что её бы хватило расколоть

Последнее, что хотелось бы отметить по поводу накопления энергии деформаций массивом - это знаменитые горизонтальные и вертикальные "зацепы" тектонических плит и блоков, о которых всегда и во всех гипотезах упоминают приверженцы Рейда - Рихтера как об основном источнике аккумулирования энергии землетрясений. Согласно прочностным характеристикам горных пород, кварц является одной из прочнейших пород с пределом прочности на сжатие около 500 Мпа. Возникает закономерный вопрос - как можно соотнести порог разрушения прочного кварца каких-то 500 Мпа с давлением в горном массиве в месте соприкосновения тектонических плит и блоков, достигающего величин нескольких ГПа? Очевидно, что в момент контакта поверхности соприкосновения тектонических плит всевозможные "зацепы" будут мгновенно превращены в молекулярные обломки пород с выделением и рассеиванием энергии деформации в виде тепла и энергии процесса метаморфизма, который вызовет глубокие изменения в структуре окружающих пород. В земной коре происходит непрекращающийся ни на секунду процесс горообразования, который сопровождается процессом пластической деформации слоёв горного массива без нарушения их сплошности и приводящему к возникновению в горном массиве изгибов массы пород разных масштабов и форм. Например, это могут быть различного рода складки, волнистость, синклинали, антиклинали и т.д. Следовательно, говоря о движении и столкновении тектонических плит или отдельных блоков земной коры, как источнике землетрясений, мы ни в коем случае не можем говорить об упругих деформациях. И, тем более, мы не имеем права говорить о накоплении деформационной энергии горным массивом, ибо при высокоэнергетическом взаимодействии тектонических плит и блоков горного массива все деформации являются пластическими, и большая часть механической энергии этих деформаций рассеивается и расходуется за короткий промежуток времени на процессы горообразования.

Суммируя опыт наблюдений за землетрясениями, горными ударами и внезапными выбросами, можно с уверенностью сказать, что энергия подземных толчков образуется при изменении горного давления в массиве и многократного перехода кинетической энергии в потенциальную и, наоборот, в результате механо-электро-магнитических явлений в массиве и перехода одних форм энергии в другие. Кинетическая энергия покоящегося массива всегда близка к нулю и возникает только в момент молекулярно-структурных перестроек массива при переходе потенциальной энергии его объёмного сжатия в кинетическую энергию движения электронов пород горного массива. Значит, мы можем констатировать важный вывод, что стартом и движущей силой любого землетрясения, горного удара и внезапного выброса служит только потенциальная энергия горного давления. Но, при стабильном состоянии горного массива его потенциальная энергия, как и кинетическая, находится на минимуме (близка к нулю). Значит, мы можем констатировать следующий и окончательный вывод: стартом и движущей силой любого землетрясения, горного удара и внезапного выброса служит потенциальная энергия горного давления потерявшего устойчивость массива. В способности массива воспринимать электромагнитное поле заключено решение образования энергии землетрясений.

Гипотеза деформационного взрыва пород

Суть гипотезы деформационного взрыва: Если в массиве нет электрического заряда q, то есть если он равен нулю, электрическое поле "не существует" для данного участка массива и его энергия равна нулю или близка к нему. Это верно и для магнитного поля. Если у массива нет магнитного момента, он не будет реагировать на магнитное поле и энергия массива будет также близка к нулю. Не накопленная мифическая энергия деформаций горного массива, а электрический заряд в горном массиве даёт старт целому ряду механо-электромагнитных и химических явлений и превращений, в результате которых выделится энергия подземных толчков, горных ударов и внезапных выбросов.

Гипотеза деформационного взрыва основана на:

1) событии электрического заряда в горном массиве и вызванном им токе самоиндукции;

2) появлении свободных радикалов (нейтральная молекула или фрагмент молекулы, имеющие неспаренный электрон, способный образовывать химические связи) или ионов (заряженные частицы, в которых общее число протонов не равно общему числу электронов);

3) процессе цепной химической реакции перехода газов из твёрдого раствора в газообразное состояние (выделение которых в огромных количествах мы наблюдаем при землетрясениях и внезапных выбросах);

4) фазовых переходах энергии, которая выделяется вследствие изменения формы кристаллической решётки после исхода газов и вследствие стрикций (изменения линейных размеров вещества) и процесса магнитопластичности твердых тел (увеличение подвижности физических дислокаций твердого тела под действием магнитного поля).

Упрощая ситуацию до школьного уровня, можно сказать, что электрический заряд в атмосфере вызывает молнию, электрический заряд в воде вызывает гидравлический удар, а электрический заряд в горном массиве вызывает землетрясение. Исходя из этого, предлагаем рассмотреть природу возникновения электромагнитных сил в горном массиве, которые, по нашему убеждению, и являются источником и спусковым механизмом процесса землетрясений и внезапных выбросов породы и газов в шахтах и которые тянут за собой последующие комбинации различных по природе событий.

При воздействии на горный массив энергии деформаций, массив будет меняться в объёме и размере и порциями сбрасывать потенциальную энергию электронных облаков. И это не противоречит первому постулату Бора, который гласит: атомная система может находиться только в особых стационаных, либоквантовых, состояниях, каждомуизкоторых соответствует некоторая энергия. В стационарном состоянии атом не излучает энергии, а переход атомной системы из одного стационарного состояния в другое происходит скачком. Из этого постулата вытекает очевидный вывод о том, что энергия деформаций массива реализуется скачком, что уверенно подтверждается всеми произошедшими землетрясениями.

Никакого времени для накапливания энергии землетрясения измеряемого столетиями, как учит нас догма Рейда-Рихтера, не требуется, так как горный массив реализует энергию текущих (сиюминутных) деформаций. Именно в этом заключён физический смысл форшоков (предварительных толчков).

К великому сожалению из этого следует сверхважный и печальный вывод для человечества – прогнозы землетрясений, кроме ультракраткосрочных (часы или несколько суток) в принципе невозможны, ибо это противоречит законам физики. Несмотря на все современные и дорогостоящие методы и техники прогноза результатов этой затратной работы нет, и не может быть.

Со всей очевидностью следует, что значительную долю ответственности за землетрясения должна на себя взять поляризация горного массива, которая сопровождается появлением связанных электрических зарядов на поверхности массива и поворотом диполей. Это в свою очередь вызывает появление в массиве электромагнитных эффектов, способных за короткий промежуток времени запустить процесс деформационного взрыва и разрушить горный массив с катастрофическими последствиями.

Магнитопластичность

В настоящее время хорошо известно и изучено явление снижения прочностных характеристик кристаллов помещённых в магнитное поле. Магнитное поле освобождает дислокацию от кулоновского притяжения и увеличивает время жизни нахождения массива в "размороженном состоянии", которое может привести к очень быстрому, цепному растрескиванию массива. На практике процесс магнитопластичности должен иметь огромные скорости прохождения деформаций, которые принимают вид катастрофических разрушений горного массива. Возможна ли ситуация, когда процесс магнитопластичности выступит движущей силой землетрясения? Мы думаем, что это вполне возможно.

Стрикции

Явление стрикций заключается в том, что при изменении состояния намагниченности тела, приложении к нему электрического поля, деформационно-механических и тепловых нагрузок, его объем и линейные размеры горного массива изменяются. Эффект стрикций вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен абсолютно всем веществам. Важная особенность этих эффектов - при взаимодействии друг на друга стрикции вызывают аномалии, вызывая своеобразный стрикционный резонанс. Например, наложение термострикции на обычное тепловое расширение приводит к аномалии в ходе теплового расширения. А наложение напряжений при механострикции на магнитострикцию приводит к перераспределению магнитных моментов доменов, что ведёт к значительному изменению намагниченности, а это в свою очередь дает, дополнительную, резкую, похожую на толчок, деформацию.

Явления стрикций в горном массиве играют особую и решающую роль при вулканических типах землетрясений, так как огромный температурный перепад сопровождает и характеризует этот тип землетрясений. Явлениями стрикций и магнитопластичности можно легко объяснить хорошо известные факты, предваряющие внезапные выбросы породы и газов шахтах: шелушение забоя, стреляние забоя кусочками породы, различного рода шумы, нарастание газовыделения, потрескивание и другие подобные явления.

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. Альфа-излучение - это ядра атомов гелия, которые положительно заряжены. Алфа-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.

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 к нарушению ее кристаллической структуры.

Электромеханические эффекты

Один из эффектов этого класса - пьезоэффект. Важен не сам пьезоэффект, а то, что это ещё одно практическое доказательство возникновения электрических и магнитных полей в горном массиве.

Пироэлектрический эффект. Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной или спонтанной поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация не заметна, но при изменении температуры или при механической деформации величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.

Сегнетоэлектрический эффект или явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которое может быть переориентировано его приложением. При определённой температуре кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация пропадает. При возникновении спонтанной поляризации сегнетоэлектрики обладают выраженным аномалиям электрических 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. 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. 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. 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.

Цепная химическая реакция в горном массиве

Холодный взрыв явление цепной химической реакции, происходящей при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Эффект был открыт в 1980 году. 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 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, 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 запасенная энергия сжатия кристаллической решётки реализуется в виде ударной волны. За миллионы лет газы под действиями высоких температур и горного давления сорбировались породами горного массива. В результате этого создавались связи с образованием устойчивых химических соединений, то есть в кристаллических решётках пород образовывались твёрдые растворы газов. В процессе эволюции произошла накачка горных массивов различными газами и мы, по сути, получили целые горные зоны пород готовые к мгновенной реализации энергии во время выделения газов при повышении или понижении давления. За доли секунды должны перестроиться кристаллические решётки пород вмещающих газ, выделив энергию затраченную массивом на деформацию решёток и изменив при этом свой объём и форму. (Примером может служить «накачка» горных пород газообразной водой (гидратация) в зонах спрединга – раздвига океанических плит с новообразованием новой коры и выделением воды (дегидратация) в зонах субдукции – поддвига океанических плит под материки или под другую океаническую плиту. Именно в зонах субдукции сосредоточены главные очаги землетрясений на Земле.)

Основным вопросом при возникновении землетрясения является вопрос - каким образом происходит преобразование энергии деформации горного массива в механическую энергию сейсмического удара?

Возьмём так называемые наводимые, или техногенные землетрясения, произошедшие в связи с наполнением водохранилищ. Почему землетрясения происходят по мере заполнения водохранилищ, почему прекращаются с окончанием заполнения и почему начинаются вновь, как только по каким-то причинам начинается слив воды из водохранилища? То есть толчки происходят только в момент изменения уровня зеркала водохранилища, а значит и изменения горного давления под ним? Энергия зарождающегося землетрясения от гидростатического воздействия зеркала водохранилища в породах при стабильном горном давлении будет стремиться к минимуму и "лишние джоули" перетекут в окружающий массив. Тем самым потенциальная энергия напряжений массива будет стремиться к 0, приводя всю систему к равновесию.

К примеру официальная статистика сейсмологической службы штата Техас свидетельствует о том, что за последние 40 лет, когда в штате начались активные работы по добыче сланцевой нефти и газа, частота подземных толчков возросла. Проанализировав данные, ученые установили, что подземные толчки спровоцированы одномоментной закачкой большого количества воды в скважину.

Достаточно ли изменения горного давления под каким-нибудь водохранилищем, чтобы произошло землетрясение? Может быть достаточно, а может быть, и нет. У природы в запасе слишком много комбинаций: одни комбинации могут затормозить и наглухо заглушить процесс подвижек массива, а другие комбинации могут разогнать процесс до невероятных скоростей и аномально его усилить с катастрофическим завершающим аккордом. По всей вероятности в природе существуют такие комбинации процессов, о которых мы пока не знаем и не догадываемся об их существовании.