Демон землетрясений. Виталий Пономарев

Мир будущего будет миром более упорной борьбы из-за барьеров, ограничивающих наш разум».   Норберт Винер.

По своим последствиям большое землетрясение сравнимо с термоядерной атакой. Пример наших дней – сейсмическая катастрофа в Японии. В истории человечества случались землетрясения, которые разово уносили многие сотни тысяч человеческих жизней.

Хотя природа землетрясений, по вполне понятным причинам, интересовала человечество издавна, она все еще достоверно не установлена. Не выяснена природа и других динамических, взрывообразно протекающих явлений в геологической среде – таких, как горные удары или внезапные выбросы газа и пыли в подземных горных выработках. Эти явления причиняют человечеству, хотя и не столь впечатляющие своими масштабами, но тоже немалые бедствия.

Автор очерка – геофизик, сейсмолог. Он был свидетелем и участником беспрецедентно массированной атаки на проблему землетрясений, предпринятой в семидесятые годы прошлого века. На решение этой проблемы были задействованы сотни организаций (около 250 только в СССР), тысячи специалистов.

Перо жар-птицы прогноза не далось в руки никому. Атака закончилась ничем. Попутно были получены интересные результаты, касающиеся других разделов наук о Земле. Но что касается прямой цели атаки – решения проблемы прогноза землетрясений, – по своим практическим результатам дело осталось примерно там же, где и было. Нельзя сказать, что оно совсем стоит на месте. Но можно сказать что в целом, успехи не соответствуют объему усилий, затраченных на их достижение.

Две дороги: та и эта

Многие специалисты, работающие в области наук о Земле, согласны в том, что в геомеханике, – науке о механическом поведении масс горных пород, – назрела кризисная ситуация. Тем не менее они расходятся во мнениях о путях выхода из этой ситуации. Одни – и их сплоченное большинство – полагают, что система основополагающих представлений геомеханики в принципе соответствует природе исследуемых объектов. По их нению, кризис может быть разрешен в процессе развития традиционных («канонических») подходов. Другие – их разобщенное меньшинство, в том числе и автор этого очерка, – склоняются к точке зрения, что все-таки тут что-то не так, возможно, для этого требуются какие-то принципиально иные подходы.

В качестве сейсмолога автор занимался изучением тонкой структуры сейсмического режима, – поведением массовых совокупностей землетрясений в пространстве-времени, – нацеленным на поиск предвестников больших землетрясений. Но стержнем всех его научных устремлений, неизменным на протяжении почти полувека научной работы, было стремление взглянуть в корень дела – понять физику сейсмического процесса.

Логика, которой он руководствовался, проста: можно ли успешно лечить болезнь, если не установлено, что это за болезнь, в чем ее причина? Понять природу явления – это примерно то же, что поставить правильный диагноз заболевания. Да и так: надо же иметь какое-то более или менее ясное представление о том, с чем имеешь дело. Наконец – и среди побуждающих мотивов, может, это самый главный, – это просто интересно. Жгуче интересно.

В результате многолетних исследований автор обоснованно пришел к двум общим выводам. Во-первых, к тому, что путь к решению проблемы природы землетрясений лежит в стороне от традиционной системы представлений, принятых в геомеханике, а во-вторых – к тому, что этот путь нее проходимо прегражден неадекватными теоретическими посылками.

В чем существо такой точки зрения?

Принцип активности

В теоретическом плане земная кора представляется субстратом, который способен лишь пассивно воспринимать и передавать усилия, энергетические источники которых находятся вне его рассматриваемых объемов. Представление об энергетической пассивности геологической среды доминировало – и продолжает доминировать – в качестве организующего центра научных исследований механического поведения вещества нашей планеты. Однако натурные наблюдения приводят к мысли, что геологическая среда, помимо того энергетического ресурса, который сообщается ей действием внешних сил, располагает еще каким-то собственным энергетическим ресурсом, благодаря чему она способна активно определять характер и темп разрушения за счет собственных энергетических ресурсов. Назовем это положение принципом активности. Так вот на осознанном уровне механическое поведение энергетически активной геологической среды, именно как таковое, не рассматривается. Феномены энергетической активности, несмотря на то, что на факт их существования обращало внимание множество исследователей, в системе наук о Земле так и остаются сущностями без определенного теоретического места жительства.

Между тем разрушение среды, находящейся в активном состоянии, резко отличается от разрушения среды, энергетически пассивной, – до впечатления, будто природа задалась целью создать два сценария разрушения, которые бы ни в чем не были друг на друга похожи. Прецизионные наблюдения над особенностями тонкой структуры пространственно-временного распределения сейсмичности показали, что в своих определяющих чертах оно следует сценарию разрушения энергетически активных сред. По мере углубления в эту сторону дела, в охвате все большего объема данных, становилось все более очевидным, что в традиционных построениях геомеханики упущено из виду важнейшее, фундаментальное свойство геологической среды, – ее способность переходить в энергетически активное состояние. Факты говорили о том, что одним из проявлений этого состояния являются и землетрясения.

Осознав это обстоятельство, автор в дополнение – особо подчеркну: в дополнение! – к существующим каноническим представлениям, рассматривающим среду как энергетически пассивную, развил систему представлений о механическом поведении среды в ее энергетически активном состоянии. Разработанная система представлений по целому ряду основных позиций принципиально отличается от представлений «классической» геомеханики. В рабочем порядке автор обозначил ее как «физическая энергомеханика». Всестороннему рассмотрению ее предпосылок посвящена книга автора «Энергонасыщенность геологической среды», вышедшая в издательстве «Наука» в 2008 году, правда, в тираже ничтожном, – всего 300 экземпляров. «Переход в эту систему взглядов, – комментирует академик Ю.Г. Леонов, – влечет за собой необходимость пересмотра ряда привычных – базовых представлений в геотектонике, геодинамике, структурной геологии и в смежных с ними дисциплинах, таких как сейсмология, некоторые разделы горных наук и т.д.».

Физика энергетического ресурса

Суть представления об энергетической активности геологической среды сводится к тому, что среда обладает способностью аккумулировать потенциальную энергию упругих деформаций (упругую энергию) и за счет этого формировать собственный энергетический ресурс, существующий независимо от того, действуют ли в данный момент времени на тело внешние силы, или не действуют.

Обратимся к некоторым элементарным сведениям.

Твердое тело можно представить как систему частиц (условно – «точек»), удерживаемых на определенных расстояниях друг от друга силами электростатической природы. При насильственном сближении точек между ними возникают силы отталкивания, при удалении – силы притяжения. Насильственное изменение взаимного расположения точек называют деформацией. Деформировать тело – это означает изменить взаимное расположение его частиц. Если, после прекращения деформирующего воздействия, смещенные точки так и остаются в смещенном положении, деформацию называют необратимой, остаточной или пластической. Если смещенные точки возвращаются в исходное положение, деформацию называют обратимой или упругой.

Упругие деформации возникают как реакция упругих элементов тела на деформирующее воздействие. Возникающие при упругой деформации силы, – это силы упругости, которые стремятся возвратить телу его исходную форму. Силы эти, отнесенные к единице площади сечения тела, называют напряжениями. «Упругие напряжения» – тавтология, «неупругие напряжения» – нонсенс.

Работа, затраченная на упругое деформирование, сообщает телу заряд потенциальной энергии упругих деформаций (упругой энергии). Количество энергии, отнесенное к единице объема упруго деформированного тела, обозначим как плотность упругой энергии.

И напряжения, и упругая энергия являются функциями упругих деформаций. Это две разные формы одной и той же сущности – «силовая» и «энергетическая». В «классической» механике принят «силовой» подход. В ней в основном оперируют «силами» и «напряжениями». А вот в квантовой механике оперируют «энергиями». В «классической» механике, далее, (в теории упругости в частности) рассматриваются только мгновенные упругие деформации, – то есть такие, которые немедленно возникают под действием внешней силы и немедленно исчезают по прекращении ее действия. В этом смысле их и называют «мгновенными». Точно также «мгновенны» и функции этого вида деформаций – и напряжения, и упругая энергия. Наглядная аналогия: «включили» свет – лампочка мгновенно загорелась, «выключили» – мгновенно погасла.

Теперь – внимание!

В отличие от мгновенных деформаций, существует еще один вид упругих деформаций, когда точки после прекращения деформирующего воздействия остаются в смещенном положении, как при остаточной деформации, однако не навсегда. По прошествии какого-то времени, иногда весьма продолжительного, они постепенно все же в исходное положение возвращаются! Субстрат вещества временно связывает в себе, поглощает, задерживает, фиксирует упругие деформации. таком связанном, фиксированном виде они могут длительное время сохраняться в теле после того, как причина, вызвавшая их появление, уже более не действует. В этом случае мы имеем дело с ретардацией упругих деформаций (от латинского retardatio – опоздание, задержка). Упругие деформации, фиксированные структурой тела, мы далее так и будем называть – фиксированными упругими деформациями, а напряжения и упругую энергию, им соответствующие, – латентными напряжениями и латентной энергией.

Таким образом, способность структурированных систем к ретардации и обеспечивает им способность связывать, аккумулировать упругую энергию, – подобно тому, как, скажем, электрический аккумулятор способен аккумулировать энергию электрическую – и тем самым переходить в энергетически активное состояние.

Энергонасыщенность

Если плотность упругой энергии, – то есть ее количество, приходящееся на единицу объема вещества, – превышает некоторое пороговое значение, среда переходит в сильно неравновесное, близкое к потере устойчивости, метастабильное состояние. Примерами сред в метастабильном состоянии могут служить переохлажденная жидкость, перенасыщенный раствор, жидкий нитроглицерин. Наглядный пример твердого тела в таком состоянии – так называемые «батавские слезки». Каждая из них представляет собой каплю расплава стекла, застывшую в форме объемной запятой, с размерами в доли сантиметра. При отламывании «хвостика» такой капли, она с треском взрывается, превращаясь в тонкодисперсную беловатую пыль и создавая в пальцах ощущение зуда.

Демон землетрясений

Роберт Гук в 1660 году открыл закон упругости твердых тел

Условимся называть геологическую среду, перешедшую в такое близкритическое состояние, средой энергонасыщенной. Горная порода в энергонасыщенном состоянии становится хрупкой, ее разрушение может быть спровоцировано ничтожным внешним воздействием или возникнуть самопроизвольно. Оно может принять характер взрыва и сопровождаться мощным излучением упругих (сейсмических) волн. Говоря попросту, энергонасыщенная порода превращается во взрывчатку.

Разрушение может протекать и в замедленном темпе, образуя системы трещин, постепенно расчленяющие материал на множество отдельных фрагментов. Примеры трещин такого рода повсеместны. Это – системы трещин в пересыхающей почве, в масляной краске старинных картин, в старых асфальтовых покрытиях и тому подобное. Системы трещин такого рода широчайше распространены в геологической натуре. Такова, например, планетарная трещиноватость, имеющая глобальное распространение. Такова блоковая делимость земной коры, в которой академик М.А. Садовский видел всеобщий принцип ее структурной организации.

Откуда в веществе «берется» эта энергия?

Вещество может связать часть упругой энергии, сообщаемой ему внешним силовым воздействием. Но оно может связывать в себе упругую энергию, неизбежно возникающую при самых многообразных структурных и вещественных преобразованиях, в нем протекающих. В этом смысле геологическая среда предстает не только как аккумулятор упругой энергии, но и как энергетический преобразователь, способный к преобразованию в упругую энергию циркулирующие в среде потоки энергии разной природы, – механической, тепловой, физической, ядерной или химической.

Природа землетрясений

Представление об энергетической активности позволяет выдвинуть следующую версию природы землетрясений. Энергию, высвобождаемую при землетрясении, обеспечивают не современные («неотектонические») силы, как это считается. Землетрясения черпают ее из собственного запаса упругой энергии, аккумулированной средой на гораздо более значительном промежутке ее предшествующей геологической истории. В общих чертах это напоминает постепенное накопление статического электричества в облачных массах и высвобождение его избытка в грозовых разрядах. Что касается неотектонических сил, то в возбуждении сейсмичности они играют подчиненную роль. Это та последняя капля, которая переполняет полную уже чашу. Но именно этим и создается иллюзия, что они являются причиной землетрясений.

В среде, лишенной реликтовых запасов латентной энергии, тектонические процессы будут протекать асейсмично, – сколь бы ни велики были действующие тектонические силы. Вот так невозможны грозовые разряды в облачных массах, лишенных заряда статического электричества, – сколь бы велики эти массы ни были и в какие бы атмосферные процессы (в своем роде «тектонические») ни вовлекались. Сейсмический процесс возможен только в энергетически активной среде.

Что дает такой взгляд?

Прежде всего – меняет стратегию подходов к изучению сейсмичности, к избранию другой генеральной линии исследований в этой области. Если в фокусе внимания традиционного подхода в качестве причины рассматривается деятельность современных тектонических сил, то с точки зрения принципа активности исследованию подлежат процессы, которые ведут к накоплению латентной энергии, и процессы ее динамичной разрядки, следующие сценарию, который пока при изучении сейсмичности во внимание не принимался.

Уже после того, как у автора сложилось такое понимание природы землетрясений, ему попала в руки одна библиографическая редкость – книга К. Богдановича «Землетрясения в Мессине и Сан-Франциско», вышедшая в свет в 1909 году. Оказывается, исследователи, работавшие на рубеже ХIХ–ХХ веков, опередили точку зрения автора примерно на полсотни лет. Причину землетрясений, горных ударов и даже тектонических движений они видели в явлении необъяснимо высокой естественной напряженности горных пород, – именно в том, что автор этого очерка понимает как их энергонасыщенность.

Демон землетрясений

В книге приведены интереснейшие факты. Вот один из них, особенно наглядный. Глыбы горной породы, добытые при проходке Симплонского туннеля в Альпах, извлекали на дневную поверхность. Спустя какое-то время глыбы эти начинали самопроизвольно взрываться уже в отвалах – без всякой видимой причины. При этом осколки пород разлетались с такой силой, что, во избежание несчастных случаев среди публики, из любопытства посещавшей отвал, вокруг него было поставлено ограждение. Один из естествоиспытателей того времени, Герлянд, так отозвался о значении таких проявлений: «мы поймали демона землетрясений с поличным».

Если бы геомеханика пошла по пути изучения явлений энергетической активности, природа землетрясений и горных ударов, скорее всего, была бы давно выяснена. Однако после первой мировой войны развитие геомеханики пошло по другому руслу.

Спорадические всплески интереса к проявлениям энергетической активности возникали и в нашей стране, и за рубежом, но системного характера они так и не обрели. Похоже, существовал некий таинственный фактор, противодействующий проведению исследований в этой области, притом сила противодействия была так значительна, что у подавляющего большинства исследователей исчезал стимул такими исследованиями заниматься.

Так в чем же причина столь мощного противодействия исследованиям проявлений энергетической активности?

Континуальная механика

Теоретической основой классической механики – геомеханики в том числе – является механика сплошной среды (МСС).

Прежде всего: теоретически в механике рассматриваются не реальные среды, а их упрощенные модели. Моделью твердого тела, рассматриваемого в МСС, является континуум – бесструктурная среда, не содержащая разрывов сплошности, что и отражено уже в самом названии этой механики. Механику, использующую модель континуума, называют иногда континуальной механикой. Так ее далее будем называть и мы.

Континуум – теоретический фантом, вымышленная реальность. На самом деле сплошные твердые среды в природе не существуют. Вещество дискретно, «зернисто» на атомно-молекулярном, на минеральном, на кристаллическом уровнях. Что касается геологической среды, то ее срез на любом уровне, – от шлифа породы под микроскопом до тектонической или стратиграфической карты крупного региона или всей планеты в целом, – в цветном отображении слагающих ее неоднородностей похож на лоскутное одеяло. Тем не менее считается, что континуальные модели описывают свойства реальных сред с достаточно хорошим приближением.

Почему так привлекательна возможность рассматривать среду в континуальных приближениях? Потому, что так проще считать. Иногда еще и потому, что в этом случае исследователь располагает большим простором для демонстрации своей математической грамотности. В этом случае применим хорошо развитый аппарат дифференциального исчисления. Незадача только в том, что он разработан применительно к анализу функций, не имеющих разрывов. Если функция, описывающая среду, имеет разрывы, сложности теоретического описания возрастают безмерно.

Обычно основную проблему применения континуальных моделей к описанию геологической среды и видят в том, что реальная горная порода насыщена разрывами сплошности. Попыткам ее решить посвящено много работ. Однако основная – и пока не вполне осознаваемая – трудность согласования континуальных моделей и реальной среды не в этом.

Не входя в детали, отметим: способность реальных твердых тел фиксировать упругие деформации обусловлена взаимодействием структурных элементов, составляющих эти тела. В теле, лишенном дискретной структуры, явление ретардации невозможно.

Подобно тому, как электрический аккумулятор может находиться в заряженном или разряженном состоянии, среда, обладающая свойством ретардации, может находиться в активном или пассивном состоянии. Но если среда не обладает свойством ретардации, она в принципе не способна переходить в активное состояние, – как обыкновенный электрический провод, например, не может быть акумулятором электроэнергии, сколь бы долго он ни находился под сколь угодно высоким напряжением. Это и находит свое выражение в том, что континуальная механика, все ее существо, – структура понятий и математического аппарата, – ориентированы только на описание сред, находящихся в энергетически пассивном состоянии.

Факты энергетической активности реальных твердых тел, равно как и представления, основанные на этих фактах, по своей научной идеологии несовместимы с установками МСС в их традиционной форме. Поэтому научные исследования в этой области развивались, – и продолжают развиваться, – в крайне неблагоприятном теоретическом и научно-организационном климате. Им противостоит одна из самых мощных парадигм в науке – Механика Сплошной Среды, а континуальная механика является одним из многочисленных побегов этого могучего теоретического корневища. Перед исследователем, взявшим на себя труд исследования энергетической активности, встает непростая задача. Если он по легкомыслию или неведению преступит черту канона, то скоро почувствует, что плывет против течения, – и течения сильного. Его ждут большие разочарования.

Ситуация в целом

Еще раз: предложенная к рассмотрению система взглядов не отрицает, а дополняет геомеханику, охватывая область, недоступную описанию традиционными средствами. Речь идет не о разных способах изучения одного и того же объекта, а об изучении разных объектов – геологической среды в ее разных термодинамических состояниях – равновесном и неравновесном. Сегодня в геомеханике складывается ситуация, которая не так давно существовала между «классической» термодинамикой и новой неравновесной термодинамикой. Как известно, коллизия разрешилась тем, что «классическая» термодинамика была отчетливо осознана как термодинамика равновесная, с традиционной областью ее применения, а термодинамика неравновесная «отпочковалась» от нее, очертив область с совершенно иными представлениями, иным выбором объектов исследования и иным аппаратом их количественного описания.

В последние десятилетия идеи и методы неравновесной термодинамики охватили своим влиянием не только физику и химию, но биологию, даже экономику и социологию. Теперь – с неоправданно большим запаздыванием – настает черед геомеханики. Конечно, рано или поздно, природа землетрясений будет выяснена. Но, пока изучение геологической среды в ее энергетически активном состоянии не получит права научного гражданства, Демон Землетрясений неуловим.

Знание-сила №10, 2011 г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *