Возобновляемая энергия ч.2 - Рождение гор и возникновение землетрясений

Продолжим обсуждение необратимых процессов, протекающих в недрах Земли.
Вначале обратим внимание на характер рельефа земной поверхности. Формирование упорядоченных структур, каковыми являются горные хребты, свидетельствует о наличии мощного потока энергии из недр Земли в космос.
Здесь уместно было бы ввести геометрическую градацию горных структур, т.е., кроме расположения, учитываемого конфигурационной энтропией, еще учесть размеры и форму гор. Кроме того, следует принять во внимание временную градацию, сводящуюся к периодичности тех или иных явлений при горообразовании.
Поиск элементов симметрии в тектонических сдвигах начнем с рассмотрения процессов, происходящих в индивидуальных циркуляционных ячейках. Функциональное назначение ячеек — подавать воду в глубинные слои и отводить из них продукты реакции.
Нас больше всего интересуют потоки тепла, водорода и дислокаций, двигающихся из зон реакций к поверхности Земли. Поток дислокаций обеспечивает рассеяние потенциальной и кинетической энергий в толще Земли подобно теплу. Форма проявления этого потока — землетрясения. Речь идет о периодическом сбросе механической энергии в поверхностные слои.
Таким образом, мы имеем дело с одним из видов креационно-диссипативных структур, действующих на этот раз в твердых массивах Земли. Принцип возникновения этих структур мало чем отличается от изученного нами в текучих средах. Но, безусловно, имеются свои особенности, на которых мы сейчас остановимся.
Как нами уже установлено, возможность окисления металлов и металлоидов кислородом, входящим в состав воды, определяется свойствами покрывающих их оксидных пленок. Особенно это заметно в подземных условиях, когда капиллярные силы практически дозируют подачу воды к реакционной поверхности.
Согласно правилу Пиллинга и Бэдворса [214—216], если объем образующегося оксида меньше объема замещаемого им металла или металлоида, то пленка оксида имеет рыхлую, ячеистую структуру и не может надежно защитить металл или металлоид от дальнейшего окисления.
Если же отношение объема оксида к объему металла или металлоида больше единицы, то образующаяся пленка оксида имеет компактную сплошную структуру, надежно изолирует металл или металлоид от воздействия водяных паров или кислорода и, следовательно, препятствуют их дальнейшему окислению.
Коэффициент ε Пиллинга и Бэдворса вычисляется по формуле

где Мок — молекулярный вес оксида;
Рок — плотность оксида;
рме — плотность металла или металлоида;
Аме — атомный вес металла или металлоида;
n — число атомов металла или металлоида в формуле оксида.
В табл. 8 даются значения ε для различных металлов и кремния. Как видно из табл. 8, для легких металлов — щелочных, щелочноземельных и магния ε < 1, для тяжелых металлов и алюминия ε > 1. Как указывают Пиллинг и Бэдворс, значения ε определяет поведение металлов при коррозии: если ε < 1, то металл легко и быстро корродирует. При 1,31< ε < 1,7 пленка оксида надежно охраняет металл от коррозии. Именно поэтому порошок алюминия можно хранить в воде, хотя согласно термодинамическому расчету эта система должна взрываться.

Таблица 8
Отношение объема оксида к объему металла или металлоида (ε) по Пиллингу и Бэдворсу

При 2,04 < ε < 3,92 оксидный слой получает значительные напряжения, что может приводить к его разрушению.
В подземных условиях сплав кремния содержит массу примесей, что способствует образованию рыхлой пленки оксидов.
Судя по коэффициентам Пиллинга и Бэдворса, объем оксидов значительно превышает объем исходного сплава кремния с железом и алюминием. Следовательно, накапливающаяся масса оксидов должна выдавливать вышележащие слои, что в результате должно приводить к рождению гор.
Скорость роста гор варьируется в различных частях света. Например, сейчас на Алтае горы растут со скоростью один метр в год, хотя в среднем эта скорость не превышает один миллиметр в год.
Учитывая количество воды в Мировом океане, можно сказать, что горы нашей планеты должны существенно подрасти. Об этом же свидетельствует сравнение высоты гор Земли с горами Марса, где их высота достигает 25 км.
На данный момент имеются сведения о том, что именно подземные процессы привели к оттеснению Африки к Азии.
Явление горообразования не проходит безболезненно: как правило, при этом наблюдаются землетрясения.
Большинство землетрясений зарождается на глубине до 60 км, т.е. в пределах земной коры. Но в некоторых регионах велика доля землетрясений с очагами на глубине от 200 до 700 км.
На данный момент наука о землетрясениях и вулканах носит, в основном, описательный характер [217—219]. Но с появлением сведений о скорости подземных реакций и глубинной фильтрации воды становится возможной оценка периодов землетрясений.
Как известно, земная кора неоднородна, расчленена на блоки различного объема и формы, движение которых может быть автономно в различной степени. Под действием внутриземных напряжений в определенных местах происходит разрыв горных пород или их быстрое смещение, что, собственно, и порождает сейсмические волны и колебания. Естественно, для их расчета необходимо знать прочностные свойства пород в определенном конкретном районе.
В настоящее время существует значительное число вариантов проверки материалов на прочность. Среди них выделяются исследования, устанавливающие связь между термодинамикой и теорией упругости [220]. Поскольку упругая деформация обратима, свободная энергия упругодеформируемого тела F является функцией состояния, на основании чего строится термодинамический формализм применительно к расчету прочности упругих тел [11].
Там, где нарушается прочность пород, возникают потоки дислокаций, оценка которых проводится также по хорошо известным методикам [221].
Скорость продвижения дислокаций к поверхности зависит от местных условий. В качестве примера приведем Ташкентское землетрясение 1966 г. Сила первого толчка составила 5,5 баллов, гипоцентр находился на глубине всего 8 км, а эпицентр пришелся на центральную часть города. Всего произошло 750 толчков постепенно убывающей силы. Глубина очагов при этом в общем уменьшалась с 8 до 2 км, хотя в отдельных случаях проявлялись и глубокофокусные толчки [122].
Таким образом, статистические сведения о землетрясениях в сочетании с данными о локальных характеристиках земной коры и скоростях течения глубинных реакций открывают возможность прогнозирования природных катаклизмов.

ВЫВОДЫ

В завершение выделим особенности фазовых и химических превращений, с которыми мы только что познакомились.
Так, протекание близких к условиям равновесия процессов испарения и конденсации в значительной степени зависит от величины химического потенциала.
В связи с этим принятые методы расчета интенсивности тепломассообмена должны дополняться вычислениями, основанными на термодинамическом формализме.
Процесс испарения ограничивает температуру реакций сплавов с водой. Изучена термодинамика реакций взаимодействия алюминия, кремния и железа с водой в интервале температур 300 К < Т < 1000 К. Рассматриваемые реакции имеют крайне высокую вероятность.
Подтверждено положение о том, что реакции, сопровождающиеся образованием газа, идут до конца. Так при взаимодействии алюминия и кремния с водой полнота реакций равна единице. То же значение при низких температурах имеет реакция железа с водой, но с повышением температуры полнота этой реакции снижается до 0,72.
Кинетика взаимодействия сплавов алюминия, кремния и железа с водой исследована при температурах от 0 °С до 400 °С и давлении до 15,0 МПа.
Сравнение выбранных систем показало, что при равных температурных условиях скорость реакций симбатна изменению значений энергии Гиббса. Но в пределах каждой системы с повышением t значения W возрастают, несмотря на некоторое уменьшение величины .
Как показывают ранее опубликованные данные, при температурах горения сплавов в кислороде или водяном паре значения скорости реакции следуют за изменением величин энергии Гиббса.
В исследованном интервале температур скорость взаимодействия активированного алюминия с водой примерно на два порядка выше, чем при взаимодействии с водой железоалюмокремниевых сплавов. Очевидно, что высокой активностью обладают сплавы с мелкокристаллической структурой.
Отслоение продуктов реакции является другим существенным фактором, влияющим на кинетику процесса газообразования. Об этом свидетельствует зависимость скорости реакции и тепломассообмена от гидродинамической обстановки, складывающейся в реакторах высокого давления.
Исследованные реакции могут служить аналогом реакций, протекающих в недрах Земли.
Ограничение скорости подземных реакций возникает на стадии фильтрации воды к зоне контакта со сплавами кремния при одновременном ее испарении, а также на стадии удаления твердых продуктов из зоны реакции.
На отслоение образующихся продуктов реакции (оксидов) существенно влияют: приливные волны, возникающие в земной коре в результате притяжения Луны и Солнца, землетрясения и взрывы на поверхности, а также неравномерное вращение Земли.
В случае если условия развития глубинных реакций приблизятся к тем, что наблюдаются в сосудах высокого давления, то Мировой океан должен исчезнуть с лица Земли в течение 3000 лет.
Более точные значения скорости подземных реакций можно получить лишь при исследовании фильтрующей способности глубинных коллекторов воды, как это было выполнено на Кольской сверхглубокой скважине.
Данные о скорости подземных реакций в конкретных районах земной коры в сочетании со статистическими сведениями о землетрясениях позволяют прогнозировать периоды возникновения переходных процессов в земных недрах.