ГЕОТЕКТОНИКА, 2011, № 2, с. 66-75
= ДИСКУССИИ
УДК 551.24
ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
© 2011 г. В. С. Пономарев
Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., д. 7 Поступила в редакцию 02.11.2009 г.
Деформации геологической среды традиционно рассматривают как результат приложения внешних сил. Между тем, ее деформации могут осуществляться за счет энергетических источников, содержащихся непосредственно в деформируемых объемах. Поскольку представление об энергетической пассивности среды доминирует в качестве организующего центра научных исследований, проводимых в этой области, оно блокирует изучение сред в состоянии их энергетической активности. В статье на конкретных примерах предлагаются к обсуждению возможные пути к преодолению создавшейся кризисной ситуации.
ВВЕДЕНИЕ
Земная кора, по преимуществу, представляется субстратом, который способен лишь пассивно воспринимать и передавать усилия, энергетические источники которых находятся вне его рассматриваемых объемов. Вместе с тем, наряду с несомненными структурными признаками тектонической активности, обусловленной "дальнодействующими" региональными полями напряжений, в геологической среде наблюдаются очаги рассеянных, изолированных деформаций, которые представляют собой результат действия местных сил, по всей видимости, обусловленных внутренними локальными источниками [17]. Другими словами, в геологической среде прослеживаются признаки ее энергетической активности, — то есть в определенных ситуациях она предстает и как энергетический носитель, и как энергетический преобразователь.
Представление об энергетической пассивности геологической среды доминировало — и продолжает доминировать — в качестве организующего центра научных исследований, проводимых в этой области. Тем не менее, хотя методы изучения геосреды в состоянии энергетической активности надлежащим образом пока не разработаны, прямые или косвенные указания на активность среды разнообразны и многочисленны. В качестве примера сошлемся на некоторые из работ последнего времени. Идеи, содержащие ростки будущего, рассеяны в многочисленных работах А.В. Лукьянова. Это положения об активности геомасс и их метастабильном состоянии, о самопроизвольном развитии структур и нелинейных эффектах в структурообразовании, о парагенезах структур и автоколебательных геологических системах (см., например, [18]). В [6] изложена концепция "бескорневой тектоники", основанная на том, что стиль тектоники структур, сложенных породами мезо-кайнозойского возраста, определяется
энергетическими преобразованиями, протекающими непосредственно в объемах пород этого возраста. Анализируя проявления сейсмичности, авторы работ [21, 23] приходят к выводу, что основным источником энергии, питающей сейсмические процессы, являются местные процессы, — например, твердофазные превращения. В [11] рассмотрена модель сейсмичности в геосреде, энергетическая активность которой обусловлена диффузией легких газов. Попытка системного обобщения сведений, касающихся энергетически активной среды, предпринята в [20].
Замедленное развитие представлений об энергетической активности геосреды объясняется тем, что положения существующей парадигмы пассивности блокируют их разработку. Это явилось если не основной, то одной из основных причин кризисной ситуации, сложившейся в геомеханике и в ее приложениях к геотектонике. В данной статье предлагаются к обсуждению некоторые узловые моменты этой ситуации.
Две ветви механики
Из различных видов энергии, содержащихся в геосреде, в статье пойдет речь лишь об одном ее виде — о потенциальной энергии упругих деформаций (или, кратко, об упругой энергии). Напряжения и упругая энергия рассматриваются, соответственно, как силовая и энергетическая функции упругих деформаций.
Механику деформируемого твердого тела — геомеханику, в частности, — в теоретическом отношении курирует мощная научная парадигма — механика сплошной среды. Используемые в ней модели, при всем их многообразии, основаны на двух фундаментальных постулатах — гипотезе сплошности и гипотезе отсутствия начальных напряжений [1].
Согласно первому постулату среда предполагается непрерывной. Направление механики, использующее в качестве модели среды "континуум", — идеализированную бесструктурную среду без разрывов сплошности, — называют также континуальной механикой. В ней рассматриваются упругие деформации, которые немедленно возникают под действием внешней силы и немедленно исчезают по прекращении ее действия (по Ю.Н. Работнову — мгновенные деформации). Далее будем обозначать упругие деформации этого вида как б0, плотность запасенной ими упругой энергии как щ, и возбуждаемые ими напряжения как а0. Именно эти деформации и возбуждаемые ими мгновенные напряжения рассматриваются в традиционных построениях теории упругости, используемых в геомеханике в качестве ее теоретической основы.
Кроме мгновенных деформаций, в реальных твердых телах обнаруживается еще один вид упругих деформаций, которые при разгрузке твердых тел исчезают не мгновенно, а на протяжении некоторого времени. Будем назвать деформации этого вида фиксированными упругими деформациями, обозначая их как бф. Упругую энергию, обусловленную деформациями этого вида, будем называть латентной энергией ^ф), а соответствующие им напряжения — латентными напряжениями (аф). Термин "остаточные напряжения", широко используемый в технике и горном деле, относится к частному случаю латентных напряжений.
В общем случае упругая деформация тела б состоит из суммы двух составляющих: б = б0 + бф. Соответственно, u = u0 + uф и а = а0 + аф. Случай, когда б = б0 и бф = 0, соответствует энергетически пассивной среде; случай, когда б = бф и б0 = 0, — среде энергетически активной. По шаблонам приведенных выражений для деформации могут быть написаны однотипные выражения для энергии и напряжений.
Условием применимости механики сплошной среды является не только сплошность среды, но и ее равновесное состояние [16]. Она, таким образом, в ее приложениях к механике деформируемых тел, представляет собой механику сплошной среды, рассматриваемой в равновесном приближении. Выражение "энергетически пассивная среда" по физическому смыслу соответствует выражению "равновесная среда".
Элементарными носителями энергии, сообщающими среде ее собственный энергетический ресурс, являются дискретные образования, — локальные упруго деформированные области, рассеянные в среде. Каждая из таких областей может рассматриваться как автономный источник энергии. Масштаб каждой единичной деформированной области соответствует масштабу структурных единиц, несогласное сопряжение которых обу-
словило ее появление, — то есть в геосреде они могут быть проявлены в громадном диапазоне масштабных уровней, от уровня дефектов кристаллических решеток и взаимодействующих минеральных индивидуумов, до уровня крупных геоблоков и оболочек литосферы. Энергетическая активность геосреды, таким образом, в общем случае обеспечивается суммарным вкладом множества дискретных источников энергии разного масштабного уровня.
Представление об энергетически активной среде противоречит сразу обоим постулатам механики сплошной среды. Во-первых, среда предстает не как бесструктурный континуум, а как структурированная среда, насыщенная дискретными источниками энергии разного масштабного уровня. Во-вторых, наличие собственного энергетического ресурса указывает на неравновесное состояние среды. В предлагаемом понимании смысл выражений "энергетически активная среда" и "среда термодинамически неравновесная" одинаков.
Таким образом, в механике различимы две ветви, четко обособленные на уровне их определения и областей применения — механика сплошной равновесной среды ("континуальная" или "классическая" механика), имеющая статус парадигмы, и механика дискретной неравновесной среды, пока в качестве легитимного научного направления не оформившаяся.
Хотя по своим основаниям механика сплошной среды восходит к физике, некоторые ее положения были адаптированы к специфике методов, ориентированных на описание пассивных сред. Подходы, вполне оправданные в механике континуума применительно к описанию энергетически пассивных сред, в их применении к описанию сред энергетически активных оказались неудобны, а то и непригодны.
Время релаксации
В физике под релаксацией понимают процесс самопроизвольного движения неравновесных систем к их равновесию, что выражается в убыли избыточной энергии систем до ее минимальных значений, возможных в данных условиях. Этот процесс может отслеживаться по любому из параметров, характеризующих состояние системы. В качестве показателя интенсивности изменения того или иного параметра во времени, используется время релаксации.
В геомеханике релаксация рассматривается всего в двух формах — в форме ползучести и в форме релаксации напряжений, причем время релаксации напряжений используют в качестве фундаментальной количественной характеристики реологических свойств среды. Его оценивают величиной, которая даже в самых прочных поро-
дах земной коры не превышает 20—30 тыс. лет. Из этой оценки, в частности, следует, что напряженное состояние земной коры формируется на отрезках времени, не превышающих неотектонический этап ее геологической истории (см., например, [13]). Трудно переоценить вред, который принесло для понимания энергетики земной коры некритическое принятие этой оценки.
Помимо того, что указанная оценка самым очевидным образом противоречит множеству натурных наблюдений, в ней проигнорировано хорошо известное положение статистической физики, согласно которому время релаксации тем больше, чем больше размеры релаксирующих систем [15]. В отношении газов и жидкостей влияние размеров системы на время релаксации отражает выражение Т ~ т(Ь\£)2, где £ — характерный размер локального объема, Ь — размер всей системы, т — время установления локального равновесия и Т — время установления равновесия во всей системе.
Поскольку подобные оценки для твердотельных систем не производились, нами были поставлены опыты по изучению влияния размер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.