Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 2 )

Открытие этой силы на основе каких-либо математических расчетов или термодинамических обобщений невозможно, так как здесь требуется не стандартный, и в первую очередь не количест­венный, а качественный подход к рассмотрению проблемы под новым углом зрения. Уже после того, как это представление оформилось, можно привлекать для его обоснования всю мощь математического и термодинамического аппарата и дополнитель­ные экспериментальные исследования, к чему я и приглашаю всех заинтересовавшихся этой проблемой.

Однако для того чтобы ясно представить себе реальность существования СРПС, достаточно даже простых понятных рассуж­дений, основанных на широко известных и экспериментально под­твержденных фактах. Общеизвестно, что поверхностный слой воды на границе с газовой средой находится в разуплотненном состоянии и увеличивается по толщине при повышении темпера­туры. Но никто не задумывался, что этот слой должен с силой тем­пературного расширения сопротивляться любой механической силе, которая попытается уменьшить или полностью ликвидиро­вать это разуплотнение путем придавливания его какой-либо плос­костью к поверхности воды. Значит, если слой сопротивляется сдавливанию, то он с такой же силой будет стремиться к разуплот­нению и соответственно увеличению по толщине и созданию дав­ления на окружающие фазы при своем возникновении. Это проис­ходит во время растекания жидкости вдоль границы фаз, когда к поверхности из глубины подходят новые слои более плотной жид­кости. Если такое растекание происходит вдоль микротрещин и микропор в горных породах, то вода создает соответствующее давление на их стенки и раздвигает их. Это и есть действие Т-СРПС.

По существу, это открытие можно было сделать еще в конце 18-го в. на основании представлений Р. Клаузиуса о механизме испарения жидкостей и -дер-Ваальса о поверхностном разуплотненном их слое.

Также общеизвестно существование пониженной концентра­ции растворенных в воде веществ в контакте с твердыми гидро­фильными поверхностями или частичками коллоидов – диффуз­ный или нерастворяющий слой связанной воды. Этот факт в неф­тяной геологии уже давно использован для объяснения генезиса нефтяных залежей за счет диффузионного перемещения органи­ческих молекул из плотных тонкозернистых материнских органо­генных толщ в грубозернистые песчаные коллекторы (Хант, 1982). Просто на него необходимо было бы обратить внимание геологам других специальностей, чтобы представить себе, как подобным же образом растворенные компоненты будут отгоняться с силой ос­мотического давления из микропористых тонкозернистых глини­стых пород в грубозернистые песчаниковые прослои при гидрогео­логических процессах или из микропор и микротрещин зоны мета­соматоза – в более широкие трещинные пустоты, где образуются рудные жилы, магматические расплавы и т. д. Это примеры дейст­вия О-СРПС.

Я только предложил новую теоретическую основу этих явле­ний и показал их роль в разных природных процессах.

Конкретно роль СРПС здесь будет в краткой форме показана на примере различных природных явлений, но более детально – для геологических процессов, и в первую очередь на примере ин­тересного геологического объекта, вскрытого карьером Борок на окраине г. Новосибирска. Здесь в зоне контакта гранитоидного массива с роговиками очень эффектно проявляются рудо - и маг­мообразующие процессы. Также кратко, насколько позволяет объем книги, охарактеризована роль СРПС в других геологических процессах и сделаны выводы о возможном механизме дифферен­циации земной коры и формировании материковых поднятий. Хотя часть этих материалов взята из моих предыдущих книг, они еще раз проанализированы, внесены некоторые коррективы и допол­нения.

Часть 1. СИЛА РАЗУПЛОТНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДЫ – СРПС

Глава 1. ТЕМПЕРАТУРНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СИЛЫ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДЫ (Т‑СРПС)

1.1. Ошибка в современном объяснении механизма формирования поверхностного натяжения, не позволившая открыть Т-СРПС

Поверхностное натяжение воды является одним из важней­ших свойств поверхностного слоя. Сначала рассмотрим эволюцию представлений о механизме образования поверхностного натяже­ния. Я приведу дословные и пространные высказывания об этом различных исследователей с тем, чтобы были видны все оттенки их воззрений.

Наиболее ранние представления высказывались в начале 18‑го в.: Лапласом и Юнгом. Приведу их по Ван-дер-Ваальсу и др. (1936):

«Лаплас в своей кинетической теории нигде не оперировал поверхностным натяжением и все же выводил это явление. По­этому существовала большая школа, которая не признавала этого натяжения. Ее последователи говорили: существует лишь молеку­лярное давление перпендикулярно поверхности, других сил в по­верхностном слое не существует. Явление, приписываемое этому натяжению, является просто следствием того, что молекулярное притяжение, действующее на столб, зависит от ограничения притя­гивающей массы. Противоположное мнение защищалось школой, основанной Юнгом. Последователи этой школы не признавали воззрений Лапласа и допускали существование лишь поверхност­ного натяжения… И лишь Хэльшофу удалось показать, что оба воззрения, о которых шел спор, вовсе не являются противореча­щими, но, наоборот, одно вытекает из другого, так как с их помо­щью легко вычислить величину поверхностного натяжения» (с. 404).

Из книги В. Оствальда (1911):

«Поверхность, которою жидкости отграничиваются от свобод­ного, т. е. наполненного их собственными парами, пространства, вследствие действия энергии поверхности, обладает другими свойствами, чем внутренность жидкости. В то время как внутри жидкости всякая частица двигается свободно, лежащие на поверх­ности удерживаются жидкостью и движению вон из жидкости про­тиводействуют значительные силы. Внутри жидкости каждая час­тица испытывает со всех сторон равные влияния и поэтому может свободно двигаться, как если бы она не была подвержена ника­кому действию. Напротив, если она лежит на поверхности, то из-за влияния прилежащих частиц составляется равнодействующая, перпендикулярная к поверхности. Сила, получающаяся таким об­разом, очень значительна. Ее можно оценить по способу, данному Стефаном (1886)… Если мы вообразим, что частица двигается из­нутри жидкости по направлению к поверхности, то прежде чем дос­тичь ее, она должна преодолеть половину всех взаимодействий, окружающих частиц, что непосредственно видно из фиг. 18 (рис. 1). Если частица затем переходит в верхнее пространство, то она вообще выходит из сферы действия жидкости и становится частицей пара. Итак, чтобы перенести частицу на поверхность, нужно приложить половину той работы, которая нужна для пре­вращения ее в пар. Последняя работа известна, это теплота испа­рения жидкости… Вообразим, что мы увеличиваем поверхность жидкости. Для этого мы должны переместить некоторое количе­ство внутренних частиц на поверхность и вместе с тем совершить работу. Наоборот, в самой жидкости постоянно выражено стрем­ление, согласно которому как можно больше частиц переходит внутрь, следуя давлению, при этом поверхность уменьшается. По­верхность жидкости ведет себя, как будто к ним приложены стяги­вающие силы, стремящиеся придать им по возможности малое развитие» (с. 108).

Рис. 1. Сферический контур взаимо­действий (пунктир) молекулы с ок­ружающей средой на поверхности воды

Из книги (1947):

«В пределах жидкой фазы каждая молекула окружена со всех сторон другими молеку­лами и поэтому испытывает притяжение во всех направле­ниях. В среднем за промежуток времени, достаточно большой по сравнению с периодом ко­лебания молекул, это притя­же­ние во всех направлениях оди­наково. У поверхности, однако, условия совершенно другие. Моле­кулы, расположенные вблизи поверхности, испытывают со сто­роны своих соседей притяжение, направленное вовнутрь и в сторону, но не испытывают уравнове­шивающего притяжения со стороны газообразной фазы, заклю­чающей в себе слишком мало молекул. Таким образом, каждая поверхностная молекула испытывает сильное притяжение, на­правленное вовнутрь жидкости нормально к поверхности. Это при­тяжение, направленное внутрь, приводит к уменьшению площади поверхности вследствие того, что втягивание молекул с поверхно­сти вовнутрь происходит с большей скоростью, чем обратное дви­жение молекул, стремящихся занять место первых. Число молекул в поверхностном слое таким образом непрерывно уменьшается, и сокращение поверхности продолжается до тех пор, пока число мо­лекул внутри жидкости не достигнет максимума, т. е. пока площадь поверхности не примет минимального значения, возможного при данном объеме и при данных внешних условиях или силах…» (с. 12).

«То обстоятельство, что поверхность жидкости сокращается самопроизвольно, указывает на существование свободной энергии поверхности, т. е. необходимость затраты работы при ее расшире­нии. С молекулярной точки зрения эта работа затрачивается на преодоление притяжения, направленного внутрь жидкости при вы­воде молекул изнутри к поверхности» (с. 12).

«Поверхностное натяжение, или свободная энергия единицы поверхности, представляет собой работу, затрачиваемую на пре­одоление притяжения между поверхностными и более глубокими молекулами при выходе молекул на поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение является мерой интенсивности втягива­ния молекул внутрь жидкости. С повышением температуры тепло­вое движение молекул и их стремление покидать жидкую фазу усиливается; поэтому, даже если когезия остается неизменной, это должно ослаблять втягивание молекул внутрь. Это и наблюдается в действительности; поверхностное натяжение почти во всех слу­чаях падает с повышением температуры… При приближении тем­пературы к критической сдерживающее усилие, приложенное к по­верхностным молекулам, уменьшается, и давление паров растет; по достижении критической температуры поверхностное натяже­ние исчезает вовсе» (с. 210).