background image
C
M
Y
K
вторник
k
100, 6 сентября 2011 г.
Выпуск 80
Наша планета до сих пор сохраняет
эндогенную активность. Она проявля
ется в сейсмичности, генерации гео
магнитного поля, конвекции в мантии,
глубокофокусных землетрясениях.
Природа эндогенной активности рас
сматривается на основе моделей, из
которых можно выделить две, яркими
сторонниками которых являются рос
сийские учные О.Г. Сорохтин и А.А.
Маракушев. Особенности эндогенной
активности закладывались на самой
ранней стадии формирования плане
ты. Вопрос был в том, как представлял
ся исходный материал так называе
мые планетезимали. В них преоблада
ли метеоритные частицы, представля
ющие по составу железосиликатное ве
щество с небольшим количеством за
мрзших воды, углекислого газа и ме
тана, или кометное вещество (в основ
ном замрзшие H
2
O, CH
4
и CO
2
) с при
сутствием железосиликатной фазы.
Генерация эндогенной энергии связы
вается с процессами плотностной диф
ференциации вещества в мантии, рос
том внутреннего ядра, радиогенным
теплом и выносом водорода из жидко
го внешнего ядра. В обеих моделях
значительную роль в формировании
оболочек Земли играла Луна, причм
Земля не проходила стадию полного
плавления. Активная же дегазация при
вела на определнной стадии к форми
рованию гидросферы и атмосферы
Земли. Сейчас можно также говорить о
том, что жизнедеятельность цивилиза
ции контролируется процессами в верх
них оболочках Земли, включая верх
нюю часть мантии (на глубинах до 100
150 км) и земную кору, где роль
дегазации весьма значительна.
В последние 30 лет накоплен боль
шой наблюдательный материал о ди
намике процессов в земной коре и е
структуре, которые нельзя объяснить
в рамках современной тектоники на
основе весьма медленных движений
элементов коры.
По характеристикам распростране
ния упругих волн земная кора кажется
сплошной и упругой. Однако в реаль
ности она разбита на блоки, причм
происходит непрерывный процесс их
смещения относительно друг друга.
Наблюдается сейсмическая расслон
ность среды. Поверхностный слой коры
до границы Мохоровичича (Мохо) двух
фазный: состоит из тврдой и флюид
ной фаз. Глубже границы Мохо среда
находится в пластичном состоянии.
Приповерхностный слой земной коры
практически не нагружен и не консоли
дирован. Он не может выдержать на
грузку, а внешне консолидирован дав
лением вышележащей толщи. На глу
бинах более 4 6 км развиваются
сдвиговые напряжения порядка пре
дела упругости, что, совместно с при
сутствием флюида, способствует раз
витию трещиноватости. До границы
Мохо (примерно 30 40 км) среда
находится в трещиноватом состоянии
и постоянно поддерживается в нм за
счт литостатического давления и дей
ствия флюида. Это означает, что уже
при малых масштабах более высокий
уровень напряжений невозможен, сле
довательно, в рамках механики разру
шения появление крупномасштабных
разрывов, вызывающих сильные зем
летрясения, невозможно.
Крупномасштабные разрывы (КР)
возникают на границах движущихся
блоков в условиях консолидации бло
ковых структур, то есть при блокировке
их движения. Однако возникает во
прос, почему КР повторяются в одних и
тех же граничных структурах. Можно
ли тогда их так называть ещ воп
рос.
В земной коре наблюдаются быст
рые (с периодами от часов до суток и
более) вариации различных полей
разномасштабные и несинхронные в
смежных зонах. Это происходит в ус
ловиях квазипостоянных градиентов
литостатического давления и темпера
туры (Р Т), а также весьма медлен
ных тектонических движений. И вооб
ще, все возмущения различных полей
весьма странные, если судить об их
предвестниковом характере перед
сильными землетрясениями. Это
тесты. Наблюдаются локальные воз
мущения на значительных расстояни
ях от граничной структуры, где про
изойдт КР, причм между зонами воз
мущения и КР находятся другие гра
ничные структуры. Бывает, что дли
тельное региональное возмущение па
раметра среды закончилось, а КР про
исходит через какое то время вне этой
зоны или, например, возмущения па
раметров среды не чувствительны к
акту землетрясения. Среда ведт себя
необычно, и е поведение трудно по
нять на основе привычных механичес
ких представлений. Что же мы не учи
тывали ранее? Необходимо вспомнить
результаты сверхглубокого бурения на
Кольском полуострове и реакцию сре
ды на дегазацию, о значительной роли
которой писал еще В.И. Вернадский.
Там, начиная с глубин 4 5 км, об
разцы керна были с саморазрушением,
далее наблюдали прогрессирующее их
разрушение (дискование) до весьма
малых размеров. Горное давление по
разрезу скважины распределялось
крайне неравномерно: отмечался рез
кий его спад или увеличение по сравне
нию с литостатическим давлением.
С
увеличением глубины концентрация
водорода и гелия во флюиде растт. С
отметки около 6 км содержание гелия в
воде становится соизмеримым с содер
жанием водорода (?!). Сейсмическая
граница около 7 км, которая ранее ин
терпретировалась как
граница гранит ба
зальт, на самом деле
представляла собой
зону деструкции тре
щиноватости. Но в ла
бораторных условиях
мы изучаем совсем
другой материал, не
учитывая дегазацию
Земли и Р Т условия
нагружения.
В дегазации Земли
участвуют различные
газы. Из них мы выде
лим водород и гелий,
которые могут диф
фундировать, помимо
флюида, довольно бы
стро и в тврдой фазе,
изменяя параметры
кристаллографичес
кой структуры и соот
ветственно объмы
элементов среды,
формируя при этом
пористость с высоким
внутренним давлени
ем газа. Неустойчивость материалов, в
которые имплантированы водород и
гелий, хорошо известна в ядерном и
физическом материаловедении. Лабо
раторное моделирование, которое мы
провели в начале 1990 х годов с гор
ными материалами, насыщенными во
дородом и гелием, показало, что эти
материалы ведут себя аналогичным
образом. Мы это ИФЗ РАН и НИИ
НПО Луч Минатома РФ. Материало
ведческими и структурными исследо
ваниями руководила Маргарита Ива
новна Матвеева, соавтор этой статьи.
Результаты работ были опубликованы
в Докладах РАН (1993 г., том 328, 1
и 1997 г., том 362, 5).
Заметим, что эта работа приняла
семейный характер. Маргарита Иванов
на принимала участие в ряде экспеди
ций в Туркмении, Узбекистане, Кирги
зии, Грузии и видела непрерывные, в
том числе быстрые, изменения пара
метров среды. Это ей напоминало ди
намику быстрых изменений различных
свойств материалов, насыщенных во
дородом или гелием и зависящих от их
концентрации. Кстати, на это практи
чески не обращали внимания.
Основные механические силы, рас
сматриваемые в тектонике, действуют
очень медленно. Поэтому естественно
было воспринимать быстрые вариации
параметров геологической среды как
реакцию е тврдой фазы на взаимо
действие с восходящими потоками лг
ких газов, причм вариации объма
кристаллических структур могут при
концентрации лгких газов достигать
величин, соответствующих земной
коре. Вариации объма обусловлены
неравномерностью восходящих пото
ков лгких газов в пространстве и вре
мени, следствием которых будут раз
номасштабные вариации различных
параметров среды. Вариации парамет
ров среды, а в ряде периодов и силь
ные локальные аномалии, характерны
для земной коры и не отражают про
цессы подготовки конкретного КР, о
чм уже говорилось выше. Однако за
мечено, что перед сильнейшим земле
трясением происходит соответствую
щее региональное возбуждение сре
ды, проявляющееся в различных ло
кальных возмущениях, за счт актив
ной импульсной дегазации и разгрузки
среды природными газами. Именно это,
в наших представлениях, позволило
доктору физико математических наук
А.А. Любушину (ИФЗ РАН) реализо
вать среднесрочный региональный
(практически на всю Японию) прогноз
гигантского Японского землетрясения
11 марта 2011 года.
Почему же невозможно спрогнози
ровать эпицентральную зону и более
точное время сильнейших землетря
сений?
В мире разврнуты очень широ
кие сети мониторинга. Наши проблемы
в непонимании особенностей и
свойств геологической среды. Боль
шинство специалистов думает, что е
параметры могут меняться только под
действием приложенных извне сил, то
есть напряжений, возникающих на гра
ницах плит и изменяющихся очень мед
ленно. Реальная ситуация другая. За
счт восходящих потоков лгких газов
создатся внутреннее напряжнное
состояние, точно так же, как и на мате
риалах ядерных технологий. Это состо
яние разномасштабное и непрерывно
меняется, соответственно плывут и
все параметры. Поэтому мы не можем
наджно выделить реальные предве
стники сильных землетрясений. Гео
логическую среду нельзя срав
нивать с известными система
ми. Для не нужно разрабаты
вать специальные методы и ме
тодологию мониторинга сейс
мической опасности.
Неустойчивость среды отра
жается даже в отдельных об
разцах, длительное время на
ходившихся в практически нор
мальных условиях. Мы это по
казали на примере динамики
структуры кристалла оливина,
выделенного из гарцбургита
(рисунок). Оливин имеет пра
вильную кристаллографичес
кую симметрию (на рисунке
тмные полосы и пятна цепоч
ки пор)
. На кристалл воздей
ствовали алмазным микроин
дентором (форма четырху
гольника). У отпечатков сразу
или через несколько часов по
являлись трещины. Длинная
трещина между отпечатками 1
и 2 появилась на третьи сутки.
Наблюдались отдельные поры
с трещинами, обозначенные цифрой 3.
Размеры отпечатка зависели от проч
ностных параметров различных зон.
На шестыеседьмые сутки центр зоны
изменил свой оттенок (Б и В). Такое
поведение материала отражает дина
мику неустойчивых структур. Уже в
природных условиях внутри монокри
стальных структур на стадии их фор
мирования образовалось большое ко
личество пор с высоким внутренним
давлением газа, вызывающих образо
вание трещин.
Аналогичная ситуация с искусствен
ной имплантацией лгких газов в пред
варительно отожжнные образцы гор
ных материалов. Наблюдается струй
ная диффузия гелия и водорода. В на
правлении струй формируются цепоч
ки пор, по которым в дальнейшем об
разец распадается. Это характерно так
же для материалов ядерных техноло
гий. Можно сделать вывод, что при
непрерывной дегазации лгких газов в
тврдой фазе земной коры формиру
ются системы связанных пор и микро
трещин (см. рисунок). Эта ситуация от
ражена на Кольской сверхглубокой
скважине в данных о саморазрушении
керна и его дисковании на глубинах,
больших 4 6 км.
В проблемах планетарной дегазации
необходимо учитывать ряд деталей, от
личающих поведение горных пород в
естественном залегании от лаборатор
ного моделирования. Граница Мохо де
лит среду на две зоны. Нас интересует
зона от границы Мохо до поверхности,
то есть земная кора. Выше этой грани
цы двухфазная среда: тврдая фаза
и флюид с растворнными в них лгки
ми газами. Сток газа идт через флюид
и по каналу тврдая фаза флюид
тврдая фаза. Однако необходимо учи
тывать, что температура по направле
нию к поверхности уменьшается, соот
ветственно уменьшается коэффициент
междоузельной диффузии лгких га
зов. В поверхностных слоях коры они
начинают накапливаться в межатом
ных полостях и микроскопических по
рах. В коре формируются зоны, являю
щиеся барьером, ограничивающим сток
лгких газов в атмосферу, и вызываю
щие, с другой стороны, разномасштаб
ные вариации объмно напряжнного
состояния среды, приводящие к е рас
слоению и деструкции.
Примером такой зоны деструкции
может быть зона трещиноватости на
глубине около 7 км при сверхглубоком
бурении. Накопление лгких и других
газов в отдельных горизонтах не мо
жет быть долговечным. За счт гради
ента давления различных газов по глу
бине возможен их быстрый переход в
горизонты, расположенные выше. Не
прерывные изменения параметров сре
ды отражают процессы, формирую
щие, по выражению члена корреспон
дента РАН А.В. Николаева, сейсмичес
кую мутность среды. Но главное зак
лючается в том, что земная кора до
границы Мохо подвержена сильной
деструкции, как за счт разрушитель
ного действия лгких газов, так и дей
ствия Р Т параметров. Это же озна
чает, что реально локальные возмуще
ния параметров среды, повсеместная
деструкция которой определяет е
свойства, могут проявиться и проявля
ются в любое время и в любом месте,
точно так же, как и пробки на дорогах.
Была бы сеть наблюдений локальных
параметров. Такая среда, ещ раз это
подчеркнм, не может держать вне
шние напряжения, например, со сто
роны границ плит, реализуя непрерыв
ный процесс их разрядки. Следователь
но, традиционная методология поис
ка предвестников сильнейших земле
трясений, включая спутниковый мо
ниторинг, не может быть успешной,
что и показывает многолетний опыт
наблюдений. Эти результаты опубли
кованы в майском номере Докладов
РАН (2011 г., том 438, 2). Работа
была представлена академиком
А.Н. Дмитриевским, директором Ин
ститута проблем нефти и газа РАН.
Таким образом, разработка методо
логии прогноза сильнейших землетря
сений ещ впереди. Проблема заклю
чается в том, что необходимо в мони
торинге параметров предельно энер
гонасыщенной среды выделять крат
косрочные периоды, в которых дест
рукция е блокируется. Это может по
казаться не очень понятным, но скла
дывается такая физика сейсмического
процесса. В то же время рассмотрен
ные особенности процессов в земной
коре и е деструкцию во времени уже
сейчас необходимо учитывать в разра
ботках моделей формирования резер
вуаров углеводородов в кристалличес
ких породах фундамента и в геологи
ческих рисках, связанных с захороне
нием высокоактивных отходов атом
ной промышленности.
Иосиф ГУФЕЛЬД,
доктор физико математических наук
Маргарита МАТВЕЕВА,
кандидат технических наук
Цивилизация испытывает в
настоящее время значи
тельные проблемы с пони
манием процессов, происхо
дящих на планете. Основные
из них изменение климата
и влияние на него природ
ной среды и техногенной де
ятельности, природные ка
тастрофы и их предотвра
щение, образование место
рождений природных иско
паемых. Разобраться в этих
проблемах необходимо в
ближайшее десятилетие.
Загадочная земная кора
О структуре земной коры
Ещ парадоксы
Кольская сверхглубокая
Деструкция
и неустойчивость
земной коры
И.Л. Гуфельд (слева). Кольский полуостров. 1985 г.
М.И. Матвеева. Тянь шань.
Тренировка перед маршрутом. 1984 г.