Бычков Сергей
Источник землетрясений в свете догмы Рейда-Рихтера. Деформационный взрыв горных пород как источник сейсмической активности
Методические заметки
УДК 550.34, 551.2, 537.86
Бычков Сергей Викторович, горный инженер, Новокузнецк, Россия. Serguei58@rambler.ru
Герусов Александр Иванович, горный инженер, Новокузнецк, Россия. Ager28@rambler.ru
Источник землетрясений в свете догмы Рейда-Рихтера. Деформационный взрыв горных пород как источник сейсмической активности
Ключевые слова: Деформационный взрыв горных пород, морозобойные, техногенные, вулканические, тектонические землетрясения, горный удар, внезапный выброс, магнитопластичность, электрострикция, магнитострикция, цепная химическая реакция.
Аннотация
Главная цель работы - развенчание несметно расплодившейся в геофизических трудах догмы Рейда - Рихтера [H.Reid, C.Richter] об аккумулировании горным массивом энергии деформаций как источнике землетрясений. Как следствие сейсмология перестала развиваться и в научном сообществе появились необоснованные выводы о невозможности предотвращения землетрясений, горных ударов и внезапных выбросов. Прикладной целью данной работы является выявление теоретической и практической связи хорошо известных и изученных физических явлений с процессом подвижек горного массива и обоснование способности этих явлений служить проводниками и источниками подземных толчков, горных ударов и внезапных выбросов в свете гипотезы Деформационного взрыва пород горного массива.
Sources of Earthquakes in the Light of the Reid-Richter Dogma and the Hypothesis of the Deformational Explosion of Rocks of the Mountain Massif
Annotation
The main goal of this work is to debunk the dogma of Reid-Richter (H.Reid, C.Richter) about the accumulation of deformation energy as a source of earth crust movements in the field of geophysics. As a consequence, seismology ceased to develop and in the scientific community there were unreasonable conclusions about the impossibility of preventing earthquakes, mountain impacts and sudden emissions. The applied goal of this work is to reveal the theoretical and practical connection of well-known and studied physical phenomena. This will be considered with regard to the process of rock mass motions and substantiation of their ability to serve as conductors and sources of earthquakes, rock hits and sudden outbursts in the light of the hypothesis of the Deformational Explosion of Rocks of the mountain massif.
Содержание
Введение
Догма Рейда-Рихтера
Энергия землетрясений
Деформационный взрыв горных пород
Физические, химические и механические явления сопутствующие землетрясениям
Явление магнитопластичности
Магнитострикция, электрострикция и другие виды стрикций
Радиолиз
Электромеханические эффекты
Пьезоэффект
Пироэлектрический эффект
Сегнетоэлектрический эффект
Эффект генерации заряда при кристаллизации элементов горного массива
Цепная химическая реакция
Прикладная часть
Техногенные землетрясения
Морозобойные землетрясения
Вулканические землетрясения
Тектонические землетрясения
Комбинированное землетрясение
Проблемы прогноза и предупреждения землетрясений
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящий момент в геофизике сложилась парадоксальная ситуация: наука сейсмология, 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[H.Reid, C.Richter], ставшая догматическим фундаментом сейсмологии. На поверку эта гипотеза нарушает фундаментальные законы физики и, следовательно, является лженаучной. Таким образом, не имея реальной теории энергетического источника сейсмических подвижек земной коры, все исследования этого процесса упирались, упираются, и будут упираться в тупик, пока сейсмология не обретёт почву в виде теории, опирающейся на научную основу. Вся беда заключается в том, что Рейд и Рихтер или не знали или не понимали физического смысла второго закона термодинамики и принципа минимума энергии, вытекающего из этого закона, применительно к горному массиву и процессу землетрясений. Последовавшие за ними исследователи сейсмических процессов в силу академической инерции мышления, стереотипизации и низкого критического анализа предложенной идеи, мало того, что приняли эту гипотезу без должного критического анализа, то есть приняли на веру, но и возвели её в ранг догмы. Существующие в настоящее время теории происхождения землетрясений на базе этой догмы противоречивы и трактуют одни и те же сейсмические события как совершенно разные процессы, вызванные разными причинами. До сих пор не сформулирована единая теория землетрясений, которая была бы способна объяснить законы и источники подвижек земной коры для различных геологических и физических свойств горного массива. А отсутствие даже микроскопических результатов в деле прогноза и предотвращения землетрясений однозначно указывают на полное и провальное несоответствие современных представлений о природе землетрясений и наблюдаемой практической картине. Почти все известные теории подвижек земной коры, пути и методы их исследования зашли в глухой тупик, а сейсмологическое поле исследований превратилось в огромный лабиринт, из которого, кажется, нет выхода. Какой бы путь учёные не выбрали, они вынуждены возвращаться на исходные позиции вездесущей и ложной гипотезы Резиновой отдачи 1910 года, чтобы через очередной десяток лет теоретических, лабораторных и полевых исследований опять вернуться в исходную точку. Именно в результате полного отсутствия прогресса в ходе исследований процесса землетрясений в научной среде сложилось устойчивое мнение о якобы невозможности не только прогноза, но и предупреждения землетрясений ввиду отсутствия какой-либо системы и набором факторов и условий абсолютно случайного и хаотичного характера, ведущих к непредсказуемости этого события с ничтожной вероятностью прогноза. Значительная часть существующих сегодня моделей очагов землетрясений разработанных на платформе научных 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, за малыми несущественными отличиями, утверждается, что подземным толчкам предшествует появление препятствий смещению пород вдоль разлома горного массива, которое определяет постепенное повышение действующих упругих напряжений. В результате этого сброс внутренней механической энергии горным массивом резко замедляется, что приводит к накоплению энергии упругих деформаций с последующей их реализацией в виде толчков. Эта широко известная гипотеза стала путеводной звездой и неизменным атрибутом мировой сейсмологии и превратилась в догму. К сожалению, все современные представления о процессе землетрясений [1], основанные на этой гипотезе, а также на её многочисленных теоретических клонах, не только не объясняют физической сути происходящих событий в гипоцентрах землетрясений, но, по сути, являются лженаучными, ибо противоречат фундаментальным законам физики. Но даже в этом виде догма не объясняет природу сейсмических ударов, ибо 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. Чуть выше мы выделили слова механическая энергия, которые наглядно показывают однобокость физического понятия энергии данного в догме и которая сводят механику и физику этого процесса к банальному рассмотрению вопроса накопления и реализации энергии деформаций с позиции резины, рессоры или пружины. Мир науки продвинулся далеко вперёд, а сейсмология так и осталась на уровне знаний человечества начала 20 века. Как известно, понятие энергии как основы материи, как основы всего, что существует во Вселенной, довольно сложно. Поэтому совсем неудивительно, что некоторые исследователи демонстрировали и демонстрируют непонимание всех её видов, участвующих в таком сложном процессе, как землетрясение. Начиная от энергии полей и волн до молекул, атомов и частиц. Как в контексте механизмов перехода энергии из одних форм в другие, так и в контексте её выделения в гипоцентре землетрясения в конечной форме - сейсмическом ударе. Видимо, этим объясняется и из этого вытекает непонимание того, что энергия является формой движения и что, к примеру, запах, исходящий от ветки акации, также является движением, а мера этого движения - энергия запаха ветки акации в окружающем мире, абсолютно ничем не отличается от энергии землетрясения. Разве только удельным значением. Именно второй закон термодинамики, с его, казалось бы, простой формулировкой, определяющей его суть, изложенной Рудольфом Клаузиусом: "Само собой теплота передаётся лишь от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. В обратном направлении самопроизвольная передача теплоты невозможна" - спутал мысли не одного великого учёного, как в прошлом, так и в настоящем временах. Это известно из истории Физики и перечислять их имена здесь не имеет смысла. Отсюда путанность понятий и нелепые ошибки некоторых исследователей в понимании и объяснении энергетики сейсмических процессов, а отсюда и самой физической сути процесса землетрясений, горных ударов и внезапных выбросов.
Догма Рейда-Рихтера
Суть проблемы ложного посыла догмы Рейда-Рихтера хорошо понятна из статьи номинанта на Нобелевскую премию 2016 года, академика РАН, А.Л. Бучаченко [2]: - "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 её катастрофическим высвобождением (землетрясением) достигает нескольких лет, а иногда столетии". Эту работу мы приводим в качестве примера классического и типового стереотипа рассуждения о причинах и энергетики землетрясений. Видимо авторитет Рейда и Рихтера, авторитет сотен научных звёзд зарубежной и отечественной геофизики, присягнувших догме накопления горным массивом энергии деформаций как источнике землетрясений, не позволили автору прорваться сквозь барьер этого стереотипа. В своей работе автор попытался ответить на главный вопрос: может ли накапливать энергию упругое тело - горный массив? И отвечает - нет, ибо вся упругая энергия будет тратиться на образование микротрещин и разрыв межмолекулярных и химических связей. При этом автор ссылается на разработанный в 1920 году механизм релаксации энергии в упругих телах господина Гриффитса и словно забывает о существовании обыкновенных пружин. Мы понимаем стремление автора подвести нас к своему коньку - теме развития трещин в процессе магнитопластичности, но вынуждены возразить, ибо, по нашим представлениям, теория А. Гриффитса имеет ряд существенных недостатков применительно к горному массиву. Во-первых, его энергетическая концепция рассматривает разрушение твердого тела как атермический процесс, следовательно, она физически не может быть оправдана для работы механизма разрушения массива при вулканических, средне и глубокофокусных землетрясениях, когда массив находится под длительным (тысячелетия)воздействием высокой температуры. Во-вторых, не учитывается зависимость прочности массива от временного фактора и, следовательно, от степени деградации массива, длящейся тысячи и тысячи лет. В-третьих, при расчёте критического напряжения из равенства изменения упругой энергии деформации массива и изменения его поверхностной энергии не учитываются механические потери на разрушение массива, что противоречит закону сохранения энергии. Следовательно, если мы и можем применить механизм А. Гриффитса применительно к горному массиву, то с большой осторожностью и, не слишком доверяя полученным результатам. Как бы там не было, автор на первый вопрос ответил отрицательно: - упругий массив, ни каким образом не может накапливать энергию деформаций (!). Это очень важное заключение. Второй вопрос автора статьи прозвучал так: может ли горный массив накапливать энергию деформаций, находясь в пластическом состоянии? И отвечает так же, как и на первый вопрос: - ни в коём случае. Теперь, казалось бы, всё стало на свои места, и автору пора констатировать революционный и единственно правильный вывод из того, что он заключил: горный массив не может накапливать энергию деформаций и, следовательно, догма Рейда-Рихтера, к большому и всеобщему сожалению, является ложной. Но именно в этот момент автор статьи делает довольно интересное заявление, которое мы привели выше и ввиду его важности повторяем сейчас: "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 её катастрофическим высвобождением (землетрясением) достигает нескольких лет, а иногда столетий". Видимо беззаветно веря в непогрешимость догмы Рейда-Ритера, автор в последний момент не решился делать столь радикальный вывод о её ложности. Он обходит возникшее теоретическое препятствие, возведённое им же самим, вводя понятие промежуточного состояния земной коры, которая в этом состоянии, как он полагает, имеет возможность аккумулировать энергию деформаций и сохранять её в горном массиве сотни лет(!). Мы согласны, что одни и те же твёрдые тела одновременно могут быть упругими и пластичными. Это зависит от характера деформации, свойств тела, температуры. В физике, это состояние тела легко и давно объяснено во многих работах: в твердых телах при деформации частицы, которые находятся в узлах кристаллической решетки, смещаются из положений равновесия. Смещению мешают молекулярные силы, с которыми взаимодействуют частицы твердого тела между собой. Если деформация является упругой, то в кристаллах атомы смещаются незначительно. При пограничных величинах деформаций смещения атомов могут быть в несколько раз больше, чем расстояния между ними, но масштабного нарушения всей кристаллической структуры тела нет и только отдельные слои кристаллической решетки проскальзывают относительно друг друга. Кроме того, смещение атомных слоев идет не одновременно по всему объему, а может начинаться только в некоторых краевых частей горного тела, пласта, блока. Возникает вопрос: может ли горный массив находиться в таком пограничном состоянии? Ответ очевиден, да, может. К примеру, в течение короткого промежутка времени, когда в момент изменения энергии горного давления будут закрываться или, наоборот, открываться микротрещины массива. Мы знаем, что тело может аккумулировать энергию, если меняет форму и размеры, что и произойдёт, когда начнут смыкаться-размыкаться микротрещины. В этот момент массив будет представлять собой именно не упругое и не пластичное тело, а промежуточное, о котором ведёт речь автор статьи. Но, к великому сожалению автора этой гипотезы, 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. При всём уважении к приверженцам школы Рейда и Рихтера и к автору статьи, хочется задать простой вопрос на который они никогда не найдут ответ если будут придерживаться своей гипотезы. Как и чем объяснить источник и накопление энергии деформаций горным массивом при техногенных или обвальных землетрясениях, которые происходят буквально в течение нескольких секунд или минут после технического, технологического или природного события (например: после обвала пород, ядерного испытания) в абсолютно асейсмичных районах? Каким образом из ничего возникает сейсмическая энергия в массиве? Это невозможно, ибо по своей логической и идеализированной сути пребывания массива в состоянии покоя за тысячи и миллионы лет эти районы стали изолированными системами, которые (почти) не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Согласно постулату второго закона термодинамики такая система со временем постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, где даже чисто теоретически ни о каком накоплении (!) упругой энергии деформаций не может быть и речи, ибо ей попросту неоткуда взяться. Последователям Рейда и Рихтера, да и всем остальным исследователям сейсмических процессов, в начале объяснения процесса землетрясения было бы правильно предложить научному обществу хотя бы один из известных науке механических, физических или химических механизмов накопления энергии породами горного массива, а уже потом переходить непосредственно к вопросу механизма землетрясения. К примеру, известно, как грозовая туча накапливает механическую энергию ветра в форме электрического заряда, а пружина накапливает энергию деформации в форме потенциальной энергии. Известно, что для процесса аккумулирования энергии необходимо выполнить определённые условия, без которых процесс накопления энергии невозможен. Как видно в случае с пружиной, этим условием будет изменение её формы и размеров. Для работы свинцово-кислотных аккумуляторов необходима электрохимическая реакция свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты. А каковы условия накопления энергии для горного массива? И какова будет форма энергии? В какие ещё формы она будет или не будет трансформироваться? 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. Где в горном массиве клеймы"плюс" и "минус", которые аккумулируют энергию и питают процесс подвижек земной коры? Нам не только не разъясняют детальное устройство этого накопителя энергии, но даже в общих чертах физический смысл и приблизительный принцип его магической работы. Чудо? Природный феномен? 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? Этот же важный вопрос прозвучал и у автора выше отмеченной статьи: - "Ключевой вопрос, в котором заключена интрига землетрясения, - почему при огромном изобилии механизмов и каналов релаксации энергии, вносимой деформацией (через генерацию дефектов и вакансий, дислокаций, микро - и макроскопических трещин и т.д.), все-таки деформационная накачка энергии превосходит утечку, сброс энергии". К сожалению, ответа на этот вопрос в статье не последовало, а без ответа на этот вопрос, как вы понимаете, в сейсмологии невозможно сделать даже не шаг, а полшага, ибо неизвестно направление, куда следует двигаться. А ответ на этот архиважный вопрос очевиден и лежит на поверхности - никакого природного аккумулятора энергии землетрясений не существует и не может существовать!!! 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 низкоэнергетич