Многочисленные (до миллиона в год) подземные толчки и колебания поверхности Земли – от едва заметных до катастрофических, имеют различную физическую природу /1/.
Слабые, но продолжительные вулканические землетрясения возникают на глубине до 3 км в результате разрядки высоких напряжений в магматическом очаге и жерле вулкана, вызванных накоплением лавы в вулканической камере и её подъёмом к месту извержения, а также увеличением объёма и повышением давления вулканических газов. Исключение здесь составляют лишь достаточно редкие вулканические землетрясения при взрывах вулканов, - например, таких, как взрывное извержение вулкана Кракатау, которое произошло в Индонезийском архипелаге в 1883 году и сопровождалось катастрофическим землетрясением и огромным, разрушительным цунами.
Обвальные землетрясения, имеющие небольшую силу и поверхностный, локальный характер, порождаются подземными и горными обвалами грунта, а также большими оползнями.
Искусственные и техногенные землетрясения, достигающие иногда разрушительной силы, вызываются деятельностью человека: взрывами большого количества взрывчатых веществ, подземными ядерными взрывами, строительством крупных сооружений и водохранилищ (масса воды которых повышает давление в горных породах и снижает их предел прочности), добычей нефти и газа, выемкой больших объёмов породы и полезных ископаемых из шахт и карьеров, провоцирующих обрушение подземных полостей горных выработок и подвижки грунта в земной коре.
Причину же основной массы естественных землетрясений связывают с протеканием, так называемых тектонических процессов в толще Земли – «быстрым смещением участка земной коры как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряженных пород в очаге землетрясения» /1/.
«Тектоника плит» — геологическая теория о движении литосферы, согласно которой «земная кора состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (англ. seafloor spreading — растекание морского дна) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции» /2/.
Тектоникой плит объясняются вулканическая деятельность, процессы горообразования и возникновения землетрясений, которые, по большей части, приурочены к границам литосферных плит. Считается, что «скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли — землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом» /1/.
Если физическая природа основного количества вулканических, обвальных, искусственных и техногенных землетрясений не вызывает сомнений, то тектоническую теорию движения литосферных плит разделяют далеко не все учёные, занимающиеся историей происхождения, состава, строения и развития Земли. Наиболее обоснованная и убедительная критика тектоники плит представлена в работах геолога В.Н.Ларина, разработавшего альтернативную глобальную геологическую концепцию «Гипотеза изначально гидридной Земли» /3,4/.
Основываясь на астрофизической идее Ф.Хойла о том, что при отделении протопланетного диска собственное магнитное поле небулы играло определяющую роль в его формировании, В.Н.Ларин выявил зависимость распределения элементов в Солнечной системе от их потенциалов ионизации, которая позволила ему создать геохимическую модель современной Земли (табл. 1), согласующуюся с представлениями академика В.И.Вернадского /5/, но отличную от той, что лежит в основе классической теории тектоники литосферных плит - «железо-никелевое ядро и силикатная мантия» (табл. 2).
Гипотеза гидридного состава внутренних геосфер нашей планеты позволяет практически все особенности процессов её становления, развития и современного существования обосновать циклическим выделением водорода из её металлогидридного ядра. Соответственно, она позволяет пересмотреть и механизм формирования очагов естественных, так называемых «тектонических» землетрясений в плане замены двух рассеянных, стабильных тепловых источников накопления энергии их разрушительной мощи, которые предлагают нам классические геофизические теории (распада радиоактивных элементов и выделения тепла при гравитационной деформации и дифференциации), одним концентрированным геохимическим источником – энергией взрыва «гремучей смеси» водорода и кислорода.
Идея о том, что подземные взрывы являются причиной землетрясений, не нова. Она была высказана ещё в древние времена, а на уровне предрассудков обыденного сознания остаётся массовым объяснением природы землетрясений и в наши дни. Её научному развитию препятствовало только отсутствие знаний о реальном, обильном и повсеместно распространённом геохимическом источнике накопления энергии, достаточном для генерации столь мощных подземных взрывных процессов.
Землетрясения характеризуются гипоцентрами – первичным выделением громадной энергии в очень ограниченном объёме, не более 1 -10 км3. По географическим меркам такой очаг – это просто точка в толще Земли, проекция которой на земную поверхности называется эпицентром. Поэтому гипотеза о взрывной природе землетрясений кажется достаточно разумной даже отдельным сторонникам модели строения Земли по типу «железо-никелевое ядро – силикатная мантия». Ими сделаны попытки объединить теорию «тектоники плит» с подземными взрывами, порождающими землетрясения, для чего потребовалось предположить наличие в жидком железо-никелевом ядре неких «флюидных компонентов», которые выделяются из него при кристаллизации твёрдого субъядра /8/.
И.К.Карповым, с соавторами, на роль подобных «флюидов» выдвинуты тяжелые углеводороды, которые якобы образуются в жидком металлическом ядре Земли, а потом, выделяясь из ядра, создают взрывные очаги землетрясений в мантии и земной коре /9/. А.А.Макарушев считает, что в импульсах дегазации из земного ядра выносится в основном водород, а углеводороды образуются уже в мантии (3Н2 + СО = СН4 + Н2О), утяжеляясь в магматических очагах при последующей дегазации (2СН4 = С2Н6 + Н2). Взрывная же ситуация создаётся чисто физически – механической «стремительностью выноса водорода из ядра, которая порождает перепады флюидного давления и взрывное расширение флюидов на разных уровнях мантии и земной коры» /8/. Д.Н.Тимофеев в фантазиях на эту тему идёт ещё дальше – на роль «взрывчатки», вызывающей глубинные (600-800км) землетрясения, предложена некая гипотетическая «нитронефть» - смесь нитросоединений с гидразином, озоном, окислами азота и даже ацетиленом (?!) /19/.
Мы не считаем необходимым подробно комментировать эти теоретические спекуляции, поскольку сама модель «железо-никелевое ядро – силикатная мантия» принципиально ошибочна, так как не согласуется с реальным содержанием и распределением элементов на Земле, которое установлено по зависимости распределения элементов в Солнечной системе от их потенциалов ионизации, подтвержденной фактическими данными спектральных анализов и химическими анализами земных, лунных, марсианских пород и состава метеоритов.
Из известных нам научных публикаций по вопросу взрывной природы землетрясений внимательного рассмотрения заслуживает только выступление в декабре 2011 года на «Электронном научном семинаре» израильских учёных Гилата Арье (Лева) и Вола Александра с докладом «Первичные водород и гелий – самый мощный источник эволюции Земли, землетрясений и вулканических извержений» /10/.
Мы полностью согласны со всеми критическими замечаниями, высказанными авторами по поводу механистической гипотезы Х.Ф.Рейда, по которой литосферные плиты на противоположных сторонах разлома подвергаются давлению и накапливают напряжение, достигающее некоей критической величины, после которой наступает «срыв» с выделением накопившейся энергии упругой отдачи, - частично в виде тепла, а частично в виде упругих сейсмических волн (низкочастотных звуковых волн в твёрдой, упругой Земле), представляющих собой землетрясение.
Механические свойства горных пород, из которых сложены литосферные плиты, просто не позволяют накопить энергию, которая реально выделяется при землетрясениях с магнитудой М=9 и более (по расчётам авторов она на несколько порядков меньше необходимой). Эти породы, по своим реальным прочностным свойствам, должны разрушаться намного раньше, порождая землетрясения значительно меньшей силы.
От себя добавим лишь то, что в своих расчётах авторы не учитывали ещё так называемый кластерный «М-эффект», согласно которому прочность любых материалов снижается по мере увеличения размеров сложенных из них объектов /11, с.12/. Поэтому действительная прочность участков литосферных плит в зонах землетрясений намного меньше той, что показывают расчёты, выполненные по показателям механических свойств горных пород, которые были определены на их лабораторных образцах. «Плиты земной коры не соединены прочностными связями, а лежат рядом», поэтому «поверхность Земли, не имеет на масштабах сотен километров прочности вообще» /11, с.20/. «Ближе всего такая структура напоминает колотый лед на поверхности водоёма с волновыми колебательными движениями» /14/.
Что касается горных пород на глубинах более 20 км, то они совсем не способны накапливать никаких механических напряжений, поскольку из-за увеличения, с глубиной, температуры и давления эти породы становятся пластичными! Уже сама общепринятая классификация «тектонических» землетрясений по положению глубины очага наглядно противоречит гипотезе об их тектоническом происхождении (табл. 3):
Иными словами, по законам геофизики из этой классификации 2/3 поверхностных землетрясений, все промежуточные и глубокие землетрясения не могут вообще существовать в природе, хотя реально «имеют место быть»!
Мы считаем достаточно убедительными все те многочисленные научные факты и доводы, которые были приведёны авторами для обоснования взрывной природы так называемых «тектонических» землетрясений. Нет необходимости повторять их в этом реферате – читатель может ознакомиться с ними самостоятельно, в легкодоступном оригинале обсуждаемой статьи /10/.
Мы разделяем мнение авторов и относительно того, что источник внутренней энергии для формирования очага землетрясения взрывной природы должен обладать практической неисчерпаемостью (сопоставимой по запасам, расходу вещества и мощности с геологической историей развития Земли), быстро концентрироваться, обладать высокой плотностью, высвобождать энергию с очень высокой скоростью, соответствующей детонационному взрыву, относительно быстро накапливаться и с малыми потерями переносится на очень большие расстояния.
Только вот на роль подобной «взрывчатки» мало подходят предлагаемые авторами «неустойчивые, при малых давлениях», химические соединения гелия с водородом и с другими элементами – He-H, He-O, He-C, He-N, He-S, He-Si, He-Cl, He-металлы, «взрывоподобный распад которых» «вызывается сбросом давления в концентрической зоне очагов слабых землетрясений, подготавливающих мощные катаклизмы» /10/.
По их мнению, «консервация энергии аккреции Земли путём эндотермического образования твёрдых растворов и соединений водорода и гелия и её высвобождение через посредство сопровождающих дегазацию экзотермальных реакций являются главным источником энергии внутренних процессов Земли. …Энергия дегазации… способна генерировать конвекцию в жидком ядре Земли и расплавлять мантию; она поднимается с мантийными плюмами и легко переносима по главным разломам, быстро концентрируется и высвобождается с очень высокими скоростями, производя все известные нам геофизические и геохимические аномалии, связанные с землетрясениями» /10/.
Во-первых, в недрах Земли нет такого огромного количества гелия, которое удовлетворяло бы требованию «практической неисчерпаемости» источника энергии для формирования многочисленных очагов землетрясений.
По уточнённым данным /12/, содержание гелия в исходном составе протопланетного вещества в зоне формирования Земли составляло всего 1,856.10-5 % (мас.). Связано это с тем, что при формировании протопланетного диска элементы, которые легко ионизируются, должны были захватываться магнитным полем и останавливаться в околопротосолнечном пространстве, тогда как трудно ионизируемые элементы уходили в более удалённые зоны, где формировались внешние планеты-гиганты солнечной системы – Нептун, Уран, Сатурн, Юпитер. Происходила магнитная сепарация элементов в зависимости от их потенциалов ионизации /4, с.18/.
Потенциал ионизации гелия (Эо >Э1+) равен 25,588 эВ; (Э1+ >Э2+) – 54,418 эВ /13, с.28/. Поэтому атом гелия способен оставаться нейтральным даже в непосредственной близости от звезды. Примечательно, что его нынешнее содержание в земной коре остаётся примерно на том же уровне, который был 4,5 миллиарда лет тому назад в земной зоне протопланетного диска – 1.10-6 % (масс.) /13, с.19/. Иными словами, гелий - это исключительно инертный и стабильный элемент, практически никак не участвующий в геохимических процессах геологической жизни Земли. Его расход из недр Земли в атмосферу, а затем в открытый космос (больше ни на что он не расходуется) непрерывно восполняется лишь приходом от процессов распада радиоактивных элементов.
Для сравнения: потенциал ионизации водорода (Эо >Э1+) – 13,599 эВ /13, с.28/, поэтому содержание водорода в этой же земной зоне протопланетного диска составляло 18,3% (мас.) /12/. В земной коре современной планеты Земля водорода содержится до 1% (мас.) /13, с.19/, а в гидридном ядре запасы водорода всё ещё составляют 35 - 40% от того громадного количества, из которого изначально формировалась Протоземля /4, с.130/.
Во-вторых, соединения гелия с другими химическими элементами известны (HeH, HeO, HeSi, HeF, HHeF, HgHe, CsFHeO, He-металлы и др.), однако они существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы лишь возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. К такому классу молекул относятся любые двухатомные молекулы, один из атомов которых обладает замкнутой электронной оболочкой. «В основном состоянии этой молекулы обменное взаимодействие между атомами, отвечающее перекрытию электронных оболочек, соответствует отталкиванию. Поэтому химическая связь в основном состоянии отсутствует, а при возбуждении атома с замкнутой оболочкой она может возникнуть» /15/.
Эксимерные молекулы соединений гелия образуются в высокотемпературной плазме, а также в газовой фазе при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения. Они существуют в возбуждённом состоянии только в условиях постоянного притока энергии, которая расходуется на возбуждение атома. Этим обусловлено и очень малое время их жизни. Из-за отсутствия устойчивых химических связей в основном состоянии подобные соединения не способны накапливать в себе энергию и, соответственно, выделять её при разрыве химических связей.
Есть правило: с увеличением давления наибольшую устойчивость приобретают плотные фазы, т.е. химические соединения, обладающие повышенной сжимаемостью. Для гидридов – это соединения с ионным типом химической связи /4, с.33/. Поэтому ни увеличением давления, ни повышением температуры невозможно придать химическим связям эксимерных соединений гелия с водородом и другими элементами устойчивость, поскольку гелий – это элемент с избытком электронов, и образованию его соединений с ионными химическими связями в основном состоянии препятствуют заполненные разрыхляющие молекулярные орбитали.
Известно только одно стабильное соединений гелия – эндофуллерен He@C60, в котором гелий стехиометрически замкнут внутри «шарообразной» конструкции из атомов углерода - С60. Но предположение о массовом образовании подобных соединений в земном ядре было бы уж очень ненаучной фантастикой…
Между тем, в толще Земли, в практически неограниченном количестве имеется другое природное взрывчатое вещество: смесь водорода и кислорода – «гремучий газ» или «гремучая смесь».
В гремучем газе на 2 моля водорода приходится 1 моль кислорода. Однако, смесь водорода и кислорода способна детонировать в широком диапазоне концентраций водорода – от 4% (об.) до 75% (об.).
Удельная теплота сгорания водорода (она же энергия его взрыва) – 142868 кДж/кг. Плотность гремучего газа – 0,55 кг/м3. При его взрыве развивается температура до 2800оС и объём гремучего газа уменьшается в 1800 раз, причем скорость детонации растёт с увеличением плотности газа. Отрицательное (схлопывающее) давление, возникающее при взрыве гремучего газа, равно 18 кг/см2, т.е. скопление гремучего газа – это потенциальная вакуумная бомба громадной разрушительной термомеханической силы. Гремучий газ самовоспламеняется при температуре 510оС по механизму разветвлённой цепной реакции, а для инициации его взрыва достаточно искры с энергией 17 микроджоулей. Скорость детонации гремучего газа – 2820 м/с, но есть экспериментальные данные, что в особых условиях она может достигать и 5000 м/с, поэтому взрыв гремучего газа – это всегда почти мгновенный объёмный взрыв, сразу охватывающий весь объём скопившейся гремучей смеси /16-18, 29-31/. Как он распространяется видно на визуализации, приведённой в работе /10/ (рис.1).
Содержание кислорода в протопланетном диске в зоне формирования Земли оценивается в пределах от 0,1 до 1% (мас.) /12, 4, с.25/. По расчётам, за миллиарды лет эволюции Земли запасы кислорода в ядре нашей планеты сократились на 67% /4, с.130/, так как он постоянно выдувался из внешнего жидкого металлического ядра водородом, поступающим из внутреннего, твёрдого гидридного ядра, и расходовался на формирование силикатно-окисной литосферы /4, с.58/, гидросферы и атмосферы.
Скорость диффузии водорода в металлах на 6-7 порядков выше, чем в силикатах и окислах. Поэтому сформировавшаяся, в основном, к концу архея литосфера стала барьером на пути выхода водорода за её пределы, и он, вместе с выдуваемым кислородом (который больше массово не связывался в окислы) стал образовывать первичные скопления гремучего газа в верхних горизонтах металлосферы – в астеносфере, расположенной непосредственно под литосферой /4, с.58/. Это глубины от 350 до 120 км под материками и до 50 км под океанским дном /20/. Дополнительным источником свободного кислорода являются окислы кремния, поскольку этот элемент при давлениях, превышающих 125 кбар, в условиях продувки водородом способен очищаться от кислорода /4, с.129/.
Однако, как известно, литосфера имеет тектонически ослабленные зоны – это, в первую очередь, зоны геологических разломов. По таким зонам гремучий газ может подниматься в верхние слои литосферы и в земную кору, создавая в них локальные очаги промежуточных и поверхностных землетрясений. Карта распределения сейсмически активных зон Земли (рис.2) прекрасно это иллюстрирует /21/.
Более редкие, глубинные очаги землетрясений (до 700 км) также формируются скоплениями гремучего газа в местах его наиболее мощного, струйного выхода в астеносферу концентрированными потоками, механизм образования которых подробно рассмотрен в работе В.Н.Ларина /4, раздел 8.3/
Мы уже приводили данные, что гремучая смесь водорода и кислорода в очаге землетрясения может детонировать при повышении температуры. Ещё одним энергетическим источником инициации её взрывов являются проявления подземного электромагнетизма – так называемые «подземные молнии и грозы» /см., например: 22, 23, 32/, которые являются часто наблюдаемыми предвестниками крупных землетрясений. Кстати, и аномальное выделение водорода в районах будущих эпицентров землетрясений, которое неоднократно фиксировалось наземными методами анализа /4, 24/, и, в принципе, даже может быть зарегистрировано бортовой аппаратурой космических аппаратов мониторинга предвестников землетрясений /25/, является очень значимым фактором для их прогнозирования.
Теперь оценим энергетические возможности взрыва гремучего газа.
Различные способы измерения магнитуды землетрясений являются лишь приближением к «идеальной» энергетической шкале /26/:
поэтому они весьма относительны (см. табл.4), поскольку в реальности зависят от множества трудно определяемых геофизических факторов, включая реальную механическую прочность пород в зоне землетрясения.
Но по этим данным можно сориентироваться при оценке энергетических возможностей очага землетрясения, сформированного скоплением гремучего газа.
При удельной теплоте сгорания водорода (энергии взрыва гремучего газа) равной 1,43.1011 дж/т, для объёмного взрыва, равного энергии землетрясения с магнитудой М=9, его потребуется 7 миллионов тонн (1,3.1010 м3). Эта цифра не покажется чрезмерной, если учесть, что даже мелкое месторождение природного газа содержит его до 10 миллиардов кубических метров /28/. А если вспомнить о реальной прочности «земной тверди», которая «как колотый лёд на поверхности водоёма», о чём мы уже писали выше, то землетрясение с магнитудой М=9 способен вызвать и взрыв гремучего газа в объёме, на 2-3 порядка меньше расчётного.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что для прогнозирования землетрясений необходимо набрать районированную статистику по динамике выделения водорода в сейсмически активных зонах, которая отражала бы процесс накопления гремучего газа в очагах зарождающихся землетрясений. По этим данным, для каждого сейсмически опасного района можно будет определить ту предельную концентрацию водорода, после которой следует ожидать взрыва землетрясения определённой магнитуды. Бурение скважин глубиной 3 - 5 км и установка в них автоматических газоанализаторов на водород – это менее затратное мероприятие, чем строительство на поверхности Земли сотен сейсмических станций, которые способны лишь регистрировать уже происходящие катастрофические события в недрах и на поверхности Земли.
Районы возможного скопления гремучего газа в зарождающихся очагах землетрясений могут быть обнаружены современными геологическими, геофизическими и геохимическими методами поиска и разведки, которые в настоящее время с успехом применяются для обнаружения месторождений природного газа /33/.
Более перспективной является задача управления геохимическими процессами, происходящими в зонах формирования очагов землетрясений. Речь идёт о предупреждающем подрыве скопления гремучего газа ещё до того, как его естественный, неуправляемый взрыв будет способен вызвать землетрясение разрушительной силы. Этого можно достичь созданием ударной волны, сжимающей гремучий газ до высоких давлений, что приведёт к его локальному нагреву до нескольких тысяч градусов и детонационному самовоспламенению. Необходимая для этого ударная волна может быть инициирована в газонасыщенных подземных пластах сильным электрическим искровым разрядом или взрывом заряда конденсированного взрывчатого вещества /34,35/.
Однако, более перспективным нам представляется метод инициации детонационного подрыва скоплений гремучего газа посредством генерации управляемого подземного горного удара резонансной природы.
По своим акустическим свойствам «земная твердь» представляет собой совокупность колебательных систем, в которых возможно возникновение резонанса. Поэтому для возбуждения горного удара резонансной природы необходимо только создать искусственную вибрацию, частота которой будет равна собственной частоте находящейся в зоне потенциального очага землетрясения естественной высокодобротной колебательной системы /36/. Мы не считаем верной, в целом, теорию Гликмана А.Г. о резонансной природе землетрясений, но то, что они, в естественной среде могут инициироваться спусковым механизмом горных резонансных ударов, порождённых процессами низкочастотной пульсации (десятки и доли герц) с большой амплитудой колебаний, признаём неоспоримой. Такие волны способны проходить в толще Земли очень большие расстояния без потери интенсивности и порождать явление резонанса в зонах разделения литосферных плит и прочих разломах, которые обладают повышенной добротностью отдельных гармонических составляющих сейсмосигналов и являются природными резонаторами на изгибные колебания /36/.
Что касается искусственного, управляемого возбуждения горного удара резонансной природы, в нужное время, и в нужной точке, то принципиально, подобного эффекта можно достичь с помощью низкочастотных акустических систем направленного действия (так называемых «инфразвуковых лазеров»), разработка которых в настоящее время осуществляется, к сожалению, только в военных целях /37/.