В этом разделе воспользуемся нашими знаниями о физико-химических превращениях для вскрытия закономерностей подземных реакций.
Вначале выберем ориентир, по отношению к которому будем сравнивать возможные величины скорости подземных реакций. Достаточно надежным аналогом может служить скорость вытеснения водорода из воды сплавами алюминия. Например, при температуре 90°С скорость образования водорода при взаимодействии активированного алюминия с водой составляет
Предположим, что условия в глубине Земли позволяют сплавам кремния реагировать с водой со скоростью WH . Подсчитаем, на какой период нам хватит воды, сосредоточенной в Мировом океане.
Мы знаем, что объем воды в океане составляет 1370 млн. км3, а поверхность океана занимает площадь 361,1 млн. км2 [83].
Далее допустим, что площадь дна океана равна поверхности океана и соответствует величине реакционной поверхности. После несложных арифметических действий находим, что Мировой океан должен исчезнуть с лица Земли за 30 лет.
Скорость реакции, достигнутая в реакторах высокого давления при взаимодействии сплавов ФСА и кремния с водой, на два порядка ниже взятой нами в качестве аналога. Ориентируясь на эту скорость, мы лишь немногим повлияем на участь океана — он исчезнет за три тысячи лет. Между тем, за сотни миллионов лет своего существования океан крайне неохотно сдает свои позиции [95].
Разберемся с причинами такого поведения океана. Для этого проанализируем основные факторы, влияющие на скорость подземных реакций. Мы знаем, что с глубиной растут температура и давление. Одновременно увеличивается слой оксидов между океаном и толщей кремниевых сплавов.
Займемся выяснением влияния температуры на скорость реакций. В предыдущем разделе мы обратили внимание на довольно высокие значения энергии активации процесса взаимодействия алюминия с водой [114]. Та же закономерность отмечена в реакциях кремния с водой и водяным паром [116, 201, 202]. То и другое относится к сравнительно низким температурам взаимодействующих сред.
Ситуация коренным образом изменяется при высоких температурах. В этом случае с повышением температуры скорость реакции уменьшается [203, 204]. Последнее обстоятельство говорит о том, что значения скорости реакции следуют за изменением величины энергии Гиббса, которая с повышением температуры снижается. Таким образом, с ростом температуры химическая стадия процесса не может создавать высокое сопротивление протеканию реакции. Заметим, что высокие температуры могут приводить к переходу кристаллических веществ в зоне реакции в расплавленное состояние.
Далее определим влияние стока тепла на скорость реакции. Теплопроводность сплава ФСА и сплавов кремния с магнием, составляющих основу нижележащих слоев Земли, почти в два раза превышает теплопроводность стали [116, 205]. Поэтому тепло сравнительно свободно перераспределяется в теле планеты. Отсюда фиксируемый тепловой поток из недр к поверхности имеет примерно равную величину в различных частях света.
Действующие температурные напоры связаны с зоной реакции и с ядром Земли.
Максимальная температура складывается в зоне контакта воды или водяного пара со сплавами кремния с магнием или алюминием. Нарастание температуры от поверхности Земли к этому слою происходит так же, как это наблюдалось в только что изученном нами случае с реагирующим куском активированного алюминия. Ниже фронта реакции по направлению к центру планеты должно наблюдаться менее существенное снижение температуры, чем это имело место в зафиксированных нами опытах. Дело в том, что ядро Земли хранит в себе тепло, возникшее в результате гравитационного сжатия. Кроме того, вполне возможно, что ему досталась часть тепла от Протосолнца. Очевидно, что сток тепла к полюсам идет как из зоны реакции сплава кремния с водой, так и из ядра Земли.
Судя по всему, выход тепла из зоны реакции не может каким-либо образом ограничить скорость реакции.
С процессом распространения тепла путем теплопроводности можно познакомиться более глубоко, изучив монографии [206, 207].
Остановимся на влиянии давления на рассматриваемый процесс.
Как показывают расчеты, давление, соответствующее найденной константе равновесия, может достигать многих миллиардов атмосфер. Это означает, что водород может преодолеть любые препятствия, возникающие на его пути из зоны реакции к поверхности Земли.
Отсюда можно сделать вывод, что рост давления с глубиной не в состоянии остановить реакцию или существенно изменить ее скорость.
Итак, мы подошли к основному сопротивлению процессу, а именно к препятствию, создаваемому оксидным слоем литосферы проникновению воды и водяного пара к реакционной поверхности. Кроме того, следует учитывать скорость испарения воды при подходе к этой поверхности и ее частичной конденсации в подъемных каналах.
Оценим силы, воздействующие на отслоение оксидного слоя.
Прежде всего отметим, что для земного шара, имеющего радиус 6371 км, слой литосферы в несколько десятков километров является всего лишь тонкой “пленкой”. Проследим за трансформированием этой “пленки” в ходе развития Земли.
Как известно, форма Земли — геоид: из-за вращения ее фигура близка к эллипсоидной, она сплющена у полюсов и растянута в экваториальной зоне. В свое время жидкая Земля из-за быстрого вращения была более сплюснута, чем сейчас.
По мере остывания планеты выработка механической энергии ею снижалась, что сопровождалось уменьшением числа оборотов. Земля все больше и больше принимала шарообразную форму. Последнее обстоятельство привело к появлению широтных разломов в еще слабой земной коре. В тот же период еще до возникновения гор на поверхность Земли в образованные трещины излились тяжелые соединения, включая сплавы железа, марганца, никеля и других металлов. Это явление, кстати, говорит о крайней неравномерности продвижения фронта кристаллизации вглубь Земли. Эта неравномерность привела к образованию локальных зон жидких металлов в общей толще кристаллической массы.
По мере формирования Мирового океана и продвижения к центру Земли зоны реакций стали развиваться меридиональные разломы. Как уже упоминалось, кристаллизация Земли произошла в виде меридиональных волокон, раздвижение которых под воздействием глубинных сил является наиболее вероятным процессом. В целом земная кора изначально должна иметь сеть меридиональных и широтных разломов.
Далее, не секрет, что твердое тело Земли испытывает приливные лунно-солнечные воздействия. Литосфера вздымается на десятки сантиметров, и волна вздутия каждые сутки обегает вокруг планеты. Самый большой подъем твердой оболочки Земли происходит так же, каки при морских приливах, при суммарном воздействии гравитационных сил Луны и Солнца [208].
Не меньшее влияние на отслоение оксидного слоя оказывают выполняемые на поверхности Земли взрывные работы, а также постоянные войны, терзающие нашу планету. Пожалуй, это влияние соизмеримо с воздействием на подземные реакции землетрясений.
За год на земном шаре в среднем происходят: одно мощное землетрясение, от 10до 100 средних и более 10000 землетрясений малой мощности [82].
По сути дела, подземные реакции можно отнести к классу автокаталитических, поскольку землетрясения ускоряют их течение. Этот вопрос заслуживает отдельного обсуждения, поэтому остановимся на нем более подробно.
Но прежде чем приступить к обсуждению очередного глобального вопроса, позволим себе остановиться на ряде локальных данных, полученных, в частности, на Кольской сверхглубокой скважине [115].
Кольский полуостров был выбран потому, что Балтийский щит на протяжении сотен миллионов лет подвергался эрозии: разрушено, снесено водой и ледниками от 5до 15 километров верхнего гранитного слоя. Поэтому геологический разрез Кольской скважины фактически соответствует глубинам 15-25 км. Возраст пород Балтийского щита — 1,5 миллиарда лет. На глубине 12 км — 3 млрд. лет, а возраст Земли — 4,5-5 млрд. лет. “Длина” скважины — полтора миллиарда лет — существенный период жизни нашей планеты.
На Кольской скважине впервые были получены прямые данные с глубины более 10 км. Перечислим некоторые наиболее важные результаты.
Подтверждена гипотеза В.И. Вернадского о существовании жизни в докембрийскую эпоху. Обнаружено более 17 видов микроорганизмов — прямых свидетелей того, что происходило на нашей планете 1,6—1,9 млрд. лет тому назад.
Проницаемость пород на глубине 6-8 км местами оказалась выше, чем вблизи поверхности Земли. Именно там обнаружены пористые, пронизанные трещинами, насыщенные водами слои.
С этим связано уникальное явление, названное волноводом. Это зона с пониженными сейсмическими скоростями из-за пониженной плотности горных пород.
Много лет считалось, что так называемая граница Мохоровичича, на которой скачкообразно меняется скорость сейсмических волн, связана с границей между гранитным слоем и базальтовым. Кольская скважина пересекла границу “скачка”, но никакого базальта обнаружено не было. Скачок скоростей оказался связан с уменьшением плотности пород.
Выяснилось, что даже на глубине более 9,5 км принципиально возможны месторождения медных, свинцово-цинковых, никелевых руд.
На Кольской сверхглубокой впервые в мировой практике получены данные о глубинном “дыхании” Земли — потоке газов из мантии (азота, метана, благородных газов, паров ртути и т.д.). Предполагалось, что в Балтийском щите температура с глубиной растет незначительно — примерно на 8—10 °С на каждый километр. Однако на глубине 10 км она достигла 180 °С. Эти данные свидетельствуют о близости зоны реакции бескислородных соединений с водой. Впрочем, возможно также повышенное содержание радиоактивных элементов.
Намечаемое в перспективе сверхглубокое бурение позволит также оценить нефтегазоносность глубоких горизонтов. Сейчас нефть и газ в промышленных количествах открыты на достаточно больших глубинах (до 4,5-5 км). В последние годы доказано, что на глубинах более 7—8 км в условиях температур, превышающих 200 °С, может сохраняться не только газ, но и нефть.
В земных глубинах есть еще один нетрадиционный вид сырья — метан, растворенный в пластовых водах. Его запасы многократно перекрывают запасы традиционного газового сырья и практически неисчерпаемы, хотя пока не используются. Причины в том, что каждая скважина в отдельности дает слишком мало газа. Не исключено, что с глубиной содержание газа будет возрастать.
Совершенно очевидно, что данные Кольской скважины подтверждают необходимость введения в круг рассматриваемых процессов фильтрацию воды в пористых средах. Здесь мы можем опираться на сведения многочисленных монографий и, в частности, на изложенные в работах [209—212]. Анализ динамической ситуации в подземных коллекторах воды возможен лишь на основе конкретных характеристик пористых сред в том или ином изучаемом районе. В таком случае без глубинного бурения не обойтись.
Колебание материков под воздействием вращения Земли и сезонных ветров [213] обусловливает повышенную фильтрацию воды в зонах, указанных на рис. 20. Геотермические станции целесообразно разместить именно в зонах наибольшей вулканической активности.
Нам же для понимания законов деформации земной коры и ее эволюции осталось познакомиться с особенностями горообразования и землетрясениями.
