В.Н.Родионов

Вещественное преобразование в недрах Земли как основа выделения геосфер

Введение

Неоднородное по плотности мантийное вещество, находясь в поле тяжести, непрерывно перемещается: легкие объемы всплывают, тяжелые тонут. Силы Архимеда, приложенные к любому объему с отличной от средней плотностью, в движении уравновешены сопротивлением окружающей среды. Происходящий при этом обмен веществом изменяет структуру плотностных неоднородностей: на смену одним движущимся объемам приходят другие. В целом мантийная среда приобретает особенные механические свойства: ее иерархическая структура проявляет одновременно и свойства твердого тела и жидкости.

При медленном смещении объемов разного размера (менее 10 см/год) силы сопротивления пропорциональны скорости и настолько малы, что давление с глубиной меняется как в жидкости. Такое пульсирующее движение легких и тяжелых объемов, обновляющихся и сменяющих друг друга, приводит к накоплению вблизи поверхности и в центре планеты легких и тяжелых веществ соответственно.

Изложенная схема механического движения не предполагает обязательного преобразования веществ. Изменения кристаллических структур и химических соединений будет происходить только тогда, когда, перемещаясь по глубине, вещество будет приобретать или расходовать свою энергию на молекулярном уровне.

В недрах Земли внутренняя энергия веществ складывается из кинетической энергии атомов и молекул и упругой энергии конденсированных тел. Кинетическая энергия атомов пополняется за счет механической энергии макрообъектов, движущихся в среде. Всплывающие и тонущие объемы на своих граничных поверхностях создают локальные напряжения сдвига, релаксирующие со временем. Энергия напряженного состояния трансформируется в кинетическую энергию. Чем выше кинетическая энергия атомов и молекул, тем меньше возникает локальных напряжений сдвига, тем меньше сопротивление движущемуся объему в среде.

В неоднородной по плотности среде кинетическая энергия распределена очень неравномерно, обеспечивая тем не менее выравнивание давления на уровне среднего по объему на данной глубине.

Упругая энергия конденсированных тел меняется при перемещении их по глубине с изменением давления. Для каждого вещества упругая энергия своя, зависящая от элементного состава и структуры. Упругая энергия зависит только от плотности и не может исчезнуть или перейти в кинетическую без изменения объема тела. Изменения упругой энергии связаны с изменением внешних электронных оболочек атомов, а значит и с химическим строением вещества.

Оценка плотности и упругой энергии вещества при высоких давлениях.

Воспользуемся уравнением, предложенным Л.Д.Ландау и К.П.Станюковичем [ ДАН, 46, 399, 1945] для описания зависимости плотности от давления при холодном сжатии конденсированных тел без изменения кинетической энергии атомов.

Р – давление; - плотность, А- коэффициент, характеризующий вещество.

Производная определяет скорость упругих волн, в которых при сжатии не возникают сдвиговые напряжения и не меняется кинетическая энергия атомов. Это условие выполняется только в идеальной жидкости. Хотя не для всех веществ это жидкие состояние достижимо, модуль объемного сжатия для всех веществ может быть определен экспериментально. Поэтому квадрат скорости упругих волн с² можно считать известным.

Выразим А через с² .

Подставляя значение А при нулевом давлении и плотности , получим:

или

Энергия упругого сжатия атомов и молекул в конденсированных телах

- это энергия на 1 г.

Энергия в единице объема -

Сопоставим упругие параметры воды и кварца при давлениях 10¹¹ дин/см² и 10¹² дин/см² (см. таблицы I и II)

Н₂О =1г/см³ =2 10¹⁰ дин/см²

SiO₂ =2,65 г/см³ =5,3 10¹¹ дин/см²

Вода и кремний представители литосферы и относятся к легким веществам. Однако изменения их параметров позволяют сделать некоторые обобщения.

В земных недрах плотность веществ, состоящих из легких атомов, приближается к средней плотности в мантии. Упругая энергия сосредоточена в легкосжимаемых атомах и молекулах и по величине превосходит кинетическую энергию химических связей легких элементов.

Как показал К.В.Волков [ частное сообщение] , сопоставляя кислородные соединения всех элементов таблицы Менделеева, уменьшение объемов атомов под действием химических связей составляет от 0,1 до 0,6 объема атомов в свободном состоянии. Им же высказано предположение, что химические соединения с большим дефектом объема будут предпочтительней на больших глубинах.

Опираясь на результаты К.В.Волкова, можно заключить, что при увеличении под давлением плотности вещества в два раза упругая энергия атомов будет заведомо превосходить энергию химических связей. В отличие от кинетической энергии атомов, которая в данном соотношении с химической привела бы к распаду молекулы, упругая энергия скорее должна способствовать сохранению химических соединений, но только до тех пор, пока не уменьшится давление.

На больших глубинах химическая индивидуальность легких атомов подавлена избытком упругой энергии. Их малые размеры и инертность позволяет им проникать в структуры тяжелых атомов, увеличивая их и без того высокую плотность. Глубинные вещества внутри всплывающего объема начнут преобразовываться только после снижения давления в объеме вследствие его расширения, а не просто с приближением к поверхности. Расширение всплывающего вещества зависит от состояния окружающей среды и от распределения упругой энергии внутри объема. Все процессы, объединяемые общим расширением, происходят медленно, неравномерно и параллельно на всех масштабных уровнях. Заряженные упругой энергией атомы, могут нарушать сплошность среды или, превратив упругую энергию в кинетическую, расплавлять кристаллы тяжелых атомов. Все формы механического движения, связанные с преобразованием вещества, столь разнообразны, что свести их к одной модели на молекулярном уровне кажется невозможным.

Огромное количество воды в океане, покрывающей две трети поверхности Земли, наводит на мысль, что именно молекулы воды были активными участниками преобразования веществ в литосфере. Это могло реализоваться только после освобождения молекул от гнета давления и обретения ими химической индивидуальности. Полагая, что давление на этой условной границе должно изменять объем молекулы в два раза, получим для

Н₂ О Р=5 10¹⁰ дин/см². Такое давление достигается на глубине 150 км, что примерно соответствует толщине литосферы.

Образование в Земле железного ядра является следствием процесса дифференциации вещества в мантии и вытеснения из жидкого ядра легких веществ. Однако и в ядре упругая энергия атомов, по-видимому, играет существенную роль в вещественном проявлении границ между геосферами.

Упругое сжатие атомов железа даже в центре Земли не превышает 25%, так что они сохраняют свою химическую индивидуальность в отличие от большинства других молекул. Это позволяет железу кристаллизоваться во внутреннем твердом ядре, сохраняя практически неизменными расстояния между атомами в кристаллической решетке. Возможно, в жидком и твердом ядре могут находиться и многие легко сжимаемые атомы, объемы которых на порядок меньше атомов железа. Заметим, что без перераспределения внутренней энергии в пользу упругой составляющей кристаллизацию было бы невозможно реализовать.

Заключение.

Давление в недрах Земли зависит только от глубины. Перемещаясь, легкие и тяжелые объемы оказываются под воздействием разных давлений. Вещества, заполняющие эти объемы, реагируют по разному. Прежде всего, само вещество, будучи составлено из одного и того же набора атомов при разных давлениях, оказывается физически различным (соотношение размеров атомов, их упругой энергии и химической активности). Переход из одного состояния в другое при изменении давления также зависит от пути: последовательности увеличения и уменьшения давления и от направления движения (всплытие или погружение).

На разных расстояниях от центра Земли могут преобладать различные группы преобразования вещества, как видно на примере ядра и литосферы. Возможно существуют и более мелкие структуры, связанные с преобразованием вещества.

Представляется конструктивным для развития геомеханики ввести нормировку размеров структур Земли, опираясь на изменения размеров атомов под давлением.