Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 40 )

Пока у меня самые общие представления о СРПС в твердых телах, логически вытекающие из идей о существовании СРПС в жидких и газовых средах.

Только в самом общем виде я могу сделать некоторые высказывания и о ее роли в природных явлениях. Например, СРПС действует при зарождении трещин и раскалывании твердых тел вдоль них, интенсифицируя эти процессы. Как только в определенном участке твердого тела появляются механические усилия, достаточные, чтобы организовать микротрещины, поверхностный слой стенок трещины мгновенно разуплотняется и увеличивается в объеме, создавая давление в самом острие трещины. Это заставляет стенки раздвигаться дальше, усиливая процесс трещинообразования. Особенно это хорошо видно в хрупких веществах, например, в стеклах, когда достаточно слабого удара и субмикроскопической трещины, чтобы раскололось сразу все стекло. В случае же более вязких веществ в новообразующихся трещинах давление, создаваемое силой разуплотнения, гасится силами вязкости, и это не способствует раскалыванию материала.

В твердых веществах известны поверхностные явления в виде ускоренной диффузии веществ по их поверхности, что имеет большое значение в технике при решении проблемы высокотемпературного спекания порошков, механизма роста и испарения кристаллов, залечивания поверхности дефектов радиационного происхождения, стабильности характеристик микроэлектронных схем и элементов вычислительных устройств, долговечности и стабильности формы полевых эмиттеров, взаимодействия свободной поверхности кристалла с неинертной атмосферой и т. д. (Гегузин и др., 1984), Каур и др., 1991; Поут и др., 1982).

По-моему мнению, здесь ускорение диффузии веществ вдоль поверхности обусловлено существованием разуплотненного поверхностного слоя, который способствует более свободной миграции атомов диффузионных веществ, поскольку последние встречают меньше препятствий для движения, чем в глубине тела.

Разуплотненный слой может способствовать также увеличению потока электронов вдоль него в проводниках, что происходит в некоторых случаях, сопровождаясь большей плотностью электрического тока в приповерхностной зоне проводника. Он также может содействовать возникновению сверхпроводимости. По моему мнению, решающую роль в возникновении сверхпроводимости играет СРПС электронов, как газа или жидкости, текущей на поверхности проводника. Но здесь может оказывать определенное влияние также и разуплотнение твердой поверхности самого проводника, когда потоку электронов меньше препятствуют реже встречающиеся на его пути атомы кристаллической решетки.

В целом, действию СРПС в твердых телах я уделил значительно меньше внимания, чем СРПС в жидкостях, так как она имеет большее значение в технике, чем в природных явлениях, в отношении которых мне как геологу было интереснее проводить исследования, особенно водных сред. Поэтому дальнейшее изучение СРПС в твердых веществах я оставляю специалистам по техническим наукам.

Глава 7. ПЕРВЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОТКРЫТИЯ српс

7.1. Метод предотвращения катастрофических землетрясений

Мной разработан и запатентован один из первых в истории человечества метод предотвращения катастрофических землетрясений –“Способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах” (патент России № 2140492, автор , приоритет от 24.06.98, опубликован 27.10.99) (рис. 30) (Шабалин, 2001).

До настоящего времени все усилия ученых были сосредоточены на поисках способов предсказания землетрясений (Рикитаке, 1979; Моги, 1988; Курскеев, 1990; Соболев, 1993 и др.). Установлено, что подготовка землетрясения сопровождается аномальными изменениями слабой сейсмичности района, электрических и магнитных свойств пород, деформаций и наклона земной поверхности, уровня подземных вод, их химического состава и другими необычными явлениями. Эти явления названы предвестниками землетрясений и усиленно изучаются. На основании этого изучения в настоящее время можно осуществлять долгосрочный и среднесрочный прогнозы землетрясений с вероятностью 0,7-0,8 (Соболев, 1993). В то же время наиболее важный прогноз – краткосрочный, т. е. предсказание землетрясения за сутки или за несколько часов – почти неосуществим, так как ни одно крупное землетрясение в мире не было уверенно предсказано с такой точностью. Можно сказать, что в этом вопросе наука о землетрясениях оказалась бессильной несмотря на длительные исследования и многочисленные способы предсказания землетрясений. Трудно предсказать даже точное время раздавливания одного образца горной породы под прессом. Что же тогда говорить о предсказании времени разрыва в таком сложнейшем чередовании горных пород, как земная кора, сложенная из сотен разновидностей пород с разными механическими свойствами, формами залегания и объемами.

С целью защиты от землетрясений на поверхности земли люди строят сейсмостойкие здания, мосты и другие сооружения, что значительно удорожает их строительство. Кроме того, как показывает опыт, кардинально и это не защищает от разрушений и гибели людей.

Так что же остается людям в сейсмоопасных районах: продолжать надеяться на способы предсказания землетрясений или искать новые, не будучи уверенным в точности этих предсказаний и со страхом ожидать землетрясения, возводя сейсмостойкие сооружения?

Рис. 30. Патент на изобретение

А что если пойти по другому пути: самим активно воздействовать на очаг землетрясения, так чтобы вместо жесткого и сильного тектонического удара он или разрядился слабыми безопасными толчками или вообще не возник. Но как на него воздействовать, если он находится в толще земной коры на глубинах более нескольких километров?

Для ответа на этот вопрос необходимо обратить внимание на так называемый гидрогеодинамический предвестник землетрясений: изменение уровня подземных грунтовых вод в скважинах и колодцах. Этот предвестник относится к числу наиболее надежных, так как благодаря ему в большом количестве случаев инструментально зарегистрированы периоды, предшествующие началу землетрясений. Подземные воды циркулируют в большом объеме горных пород, в том числе могут присутствовать и в зонах, где создается очаг будущего землетрясения, или в близких к нему участках. Следует учесть, что очаги катастрофических, наиболее опасных для человека, землетрясений располагаются относительно недалеко от земной поверхности. Поэтому любые изменения плотности пород в очаге, связанные с тектоническими движениями горных масс, сказываются на объеме содержащихся здесь подземных вод, которые или выдавливаются оттуда или, наоборот, увеличивают свой объем в зависимости от изменения объема трещинных пустот и микропор. В соответствии с этими изменениями происходят и изменения уровня подземных вод в скважинах и колодцах на земной поверхности, которые являются чуткими деформометрами земных недр (Соболев, 1993).

В связи с этим возникает идея: а что если посредством подземных вод, омывающих готовящийся очаг землетрясения или близкие к нему участки, воздействовать на них таким образом, чтобы уменьшить интенсивность нарастающих упругих стрессовых усилий при тектонических деформациях пород? По существу, подземные воды – это единственная субстанция, способная проникнуть к глубинному очагу максимально близко. В то же время эти воды выходят на поверхность, где человек может изменить их состав, и они будут влиять на физико-химические и тектонические процессы в глубинах земли. Причем гидрогеологами экспериментально и теоретически доказано, что поверхностные воды способны проникать на большие глубины Земли – до 25 км и более, т. е. в зоны, где находятся очаги все крупнейших катастрофических землетрясений (Пиннекер и др., 1998).

На основе этой идеи я разработал способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах, с помощью которого можно предотвратить катастрофические землетрясения: при наличии средне - или долгосрочного прогноза о готовящемся землетрясении в грунтовые подземные воды добавляют растворимые химические вещества таких типов, чтобы они способствовали снижению упругих напряжений в очаге землетрясения или прилегающих к нему участках за счет увеличения податливости грунтов к деформациям и/или выравнивания плотности в разных его участках.

При выборе химических веществ необходимо учитывать два фактора, которые способствуют разрядке напряжений в земной коре.

Первый – это эффект Ребиндера, когда добавка в грунтовую воду поверхностно-активных веществ способствует увеличению микротрещиноватости пород, ослаблению их механических свойств, уменьшению упругости и в конечном счете способствует большей податливости грунтов к деформациям, не позволяя им разрядиться в виде жесткого тектонического удара.

Второй фактор связан с появлением различий в плотности при деформациях, когда в сильно сжатых участках уменьшаются количество и объем микропор и микропустот за счет их сдавливания, и наоборот: в расширяющихся участках их объем возрастает и породы разуплотняются. Но если выровнять объем микропустот и соответственно плотность пород, то деформация и их упругая сила будут сведены к минимуму.

Выравнивание объема микропор и микротрещинных пустот в земной коре происходит путем заполнения их химическими компонентами, вынесенными из вмещающих пород при гидротермально-метасоматических и диагенетических процессах. Примером этого являются эндогенные гидротермально-метасоматические месторождения, которые образовались на месте тектонических разломов в земной коре. По существу, образованию каждого такого месторождения предшествовало землетрясение, в результате которого образовались разломы и трещинные пустоты в нем. Последние затем были заполнены рудным или другого типа минеральным веществом, вынесенным из вмещающих пород; этим плотность пород здесь и во всех близлежащих участках выравнивается. Такие же процессы идут в настоящее время в зонах диагенеза горных пород и в зонах активной вулканической деятельности, проявлением которой являются сольфатары, фумаролы, гейзеры. Землетрясение происходит потому, что гидротермально-метасоматические процессы не успевают вовремя выровнять плотность пород и заполнить новообразующиеся микротрещины минеральным веществом.