Оценка влияния внутренних и внешних сил на слои земли

УДК 350.338.436
Д.Ш. Садыков, д-р геол.-минер. наук, проф. КазНТУ
М.С. Кунаев, д-р геол.-минер. наук, Caspian Services Inc
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ СИЛ
НА СЛОИ ЗЕМЛИ
Жердің қабаттарына əсер ететін əртүрлі ішкі табиғи күштер бар.Олардың ішінде
физикалық деректер бойынша санды анықтауға келетін жəне деңгейі ең шогарғы күшол жер қабаттарының жылуының өзгеруімен байланысты температуралық қысым.
Осы жағдайларды ескеру жəне есептеу арқылы жердің радиусының жəне əртүрлі
қабаттарының қалыңдығының 4х10 9 жылда өзгеруі осы мақалада қарастырылған.
Сонымен қатар жердің қабаттарына сыртқы жəне ішкі күштердің жалпы əсері
келтірілген.
The Earth layers are impacted by various internal forces. The forces associated with
changes of temperature conditions in the layers and of temperature stress are most powerful.
On their basis article describes the change in the Earth layers, radius and thickness over 4x109
years. The total impact of external and internal forces on layers of the Earth is also assessed in
this article.
Проблема изучения влияния внутренних сил на слои Земли сталкивается на
неопределенности, связанные с трудностью четкого представления механизма
образования протопланеты Земля и ее геологические преобразования с выделением
различных слоев во времени [1,2,3 ] . Если исходить из данных приведенных в
перечисленных работах, то можно оценить изначальные размеры газо-пылевого облака
с которого могла образоваться Земля с существующими сейчас параметрами.
Возраст Земли как планеты в [4 ] приведен в пределах 4,5-5,5х 109 лет. В [2 ]
отмечается, что процесс образования солнечной системы закончился около 4500 млн.лет
назад и с тех пор общая структура системы не претерпела существенных изменений. Для
дальнейшего анализа можно принять возраст Земли как протопланеты 5000 млн.лет. Тогда
становится ясным, что догеологический этап Земли как протопланеты составит
1000млн.лет. По работе [16 ] наибольшая энергия до 1,67х1037 Дж/год во
внутренних слоях земли может быть связана с химическими реакциями в мантии.
Учитывая это основным процессом, приводящим к расширению слоев Земли, принято
температурное напряжение [18 ], хотя по приведенной выше работе [16 ] выделены пять
видов внутриземных энергии. Но среди них энергия химических реакции в мантии
отличается от остальных на 1016 раз. Учитывая то, что эта энергия приводит к изменению
температурного режима в слоях Земли в дальнейшем сделан анализ влияния этого
процесса на слои Земли.
Если допустить, что масса изначального газо-пылевого облака с которого
образовалась Земля соответствует ее современной массе, то можно оценить
первоначальные ее параметры. При этом можно использовать данные работы [ 5 ] ,где
плотность слоя Солнца с температурой 28000К равна 0,000016 г/см3. По [1 ] на ранней
стадии образования планеты Земля ее температура могла быть 20000К, тогда плотность
такого высокотемпературного газо-пылевого облака может составить 0,000022г/см3.
Принимая массу Земли равной 6х1027г при указанной плотности изначальной объем
земного газо-пылевого облака в 5000 млн.лет назад может составить 2,73х1032см3. Тогда
радиус такого объекта может быть 4х105 км. Если взять отношения изначального объема
газо-пылевой Земли и ее тогдашней плотности к современным их значениям, то они
составят 4х105и 2,5х105 соответственно. Как видно, приведенные сопоставления имеют
допустимую схожесть, если учесть, что любые модели происхождения и преобразования
Земли являются вероятностными.
Переход протопланеты Земля к геологическому объекту представляют собой
сложный и малоизвестный этап. При этом можно допустить наличие различных моделей
с неопределенными временными интервалами и неясным составом изначальных
химических элементов включая и неясность и неопределенность их перехода в различные
слои Земли. Учитывая эти сложности, при дальнейших расчетах и моделях использованы
геологические и параметрические данные по [ 1-6 ] .
Учитывая приведенные условия можно допустить, что на начальной стадии
образования Земли (первые1000 млн. лет т.е. в пределах 5000-4000 млн. лет) ее
температура уменьшилась от 20000К до 6000К по [1 ] . Тогда ее радиус может составить
7090км как отношение изначального объема 3,73х10 32 протопланеты к увеличению ее
плотности в 2,5х10 5 раз при ее переходе к начальной геологической стадии( 3,73х10 32
/2,5х105 =1,492х10 27см3). Исходя из приведенного объема определен приведенный выше
радиус. Конечно, здесь допущена модель, имеющая в основном сегодняшнее
представление о слоях Земли со средней плотностью 5,52г/см3 [7,8 ] . В [1,2,3 ] имеются
другие модели, характеризующие другие условия образования Земли с переходом ее
температурного режима под действием распада долгоживущих изотопов радиоактивных
элементов. В этих работах не приведены количественные расчеты и модели представлены
в вероятностной форме с указанием в основном завершения формирования Земли по
геологическим параметрам к 4000 млн. лет.
С учетом отношения изначального радиуса (7090км) Земли к современному его
значению (6371км) в 1,1128 можно оценить возможное значение изначальной мощности
ее слоев умножая на приведенный коэффициент. Тогда в сравнительном виде эти
значения будут следующие: сейчас радиус Земли 6371км (по Стейси как радиус
равновеликого шара, с.309), а был 7090км (по [11 ] он мог составить 8000-6590км при
других модельных построениях); твердое ядро в пределах 6371-5120 (1251км), а было
7090-5697 (1392,46км); дальше по такой схеме: переходная зона 5120-4980 (140 км), 5697
– 5542 (155,3км); внешнее ядро 4980 – 2900 (2080км), 5542 – 3227 ( 2315км); нижняя
мантия 2900 – 1000 (1900км), 3227 – 1113 ( 2140км); переходная зона 1000 – 400 (600км),
1113 – 445 (668км); верхняя мантия 400 – 33 (367км), 445 – 36,7 ( 408 км); гранитный слой
33 – 0 (33км), 36,7 – 0 ( 36,7км).
Рассмотрим изменение мощности слоев Земли при уменьшении их температуры с
общего ее значения для всей Земли в 6000оС до ее среднего значения в каждом слое Земли
в современных условиях. Необходимые осредненные значения температуры для средней
части каждого слоя взяты с работ [2,7,9,10 ] . При этом коэффициенты линейного
температурного сжатия и расширения взяты с работ [2,3,6 ] . С учетом приведенных
условий указанный параметр для твердого и жидкого ядра, состоящие в основном из
железа, равен 0,15х10-5, для нижней мантии - 1х10-5, для верхней мантии – 1,3х10-5, для
гранитного слоя -1,8х10-5. Принятая по указанным работам в средней части каждого слоя
в современных условиях температура составляет: в твердом ядре- 5232оС, во внешнем
ядре – 5024, нижней мантии – 4277, верхней мантии -1422, в гранитном слое – 1100оС. С
учетом приведенных данных при переходе с температуры 6000оС в начале образования
Земли как геологического тела на те градусы, которые указаны выше мощность ее слоев
4000 млн.лет назад могли составить следующее: твердого ядра-1390.9км; внешнего ядра 2311,6км; нижней мантии – 2103,1км; верхней мантии – 382,72км; гранитного слоя 33,46км. По эти параметрам слоев радиус Земли составил 6222,78км. Тогда до начала
геологической эры Земли ее радиус был на 148,2км меньше, чем сейчас. Здесь также не
учтены переходные зоны. По предположению авторов данной работы переходные зоны в
слоях Земли могли образоваться на ее термодинамических этапах.
Таким образом, исходя из приведенных расчетов и с учетом данных работы [2, с.32 ]
можно заключить, что объем Земли и соответственно ее радиус при последующих
изменениях имели относительно небольшие изменения от внутреннего температурного
напряжения, хотя полученная величина вполне может соответствовать геологическим
оценкам по [12, с.500 ] , если не учитывать влияние внешних сил.
Дальнейший анализ изменения радиуса Земли от температурного режима в ее
слоях требует представления его модели изменения во времени. По [3 ] за 600 млн.лет
11 раз было затопление площади континентов и 11 раз относительное ее осушение. Если
эти данные отнести за счет солнечных факторов, то энергия Солнца может меняться на
15% в течение 20 млн. лет [13,14 ] . Для Земли такой параметр может составить 27,27 млн.
лет(600 млн. лет/22=27,27 по [3 ] ). Если это отнести на 4000 млн. лет, то можно
допустить 73,34 раз расширение Земли и 73 ее сжатие за счет повышения и понижения
температуры в ее слоях. Сейчас слои Земли возможно находятся в состоянии расширения
начиная с 18,54 млн. лет назад. Хотя во временном интервале изменения энергии Солнца
и Земли имеется различие, механизм изменения температуры можно отнести за счет
изменения уровня долгоживущих и короткоживущих радиоактивных элементов в слоях
Земли, а также других факторов [2 ] . Можно также отметить предположение о том, что
3500 млн. лет назад генерация тепла в слоях земли была 3 раза выше [1 ] . Уровень
плавления вохзможно тогда был на глубине 30км, а сейчас он начинается по [1 ] с 100км,
а по [15 ] местами с глубин 200км.
По [12, с.500 ] напряжение сжатия до конца не релаксируется, т.е. какая-то часть
слоя Земли постоянно остается в режиме сжатия. Если учесть указанную особенность
напряжения сжатия, то при оценке изменения мощности слоев при изменении их
температуры возникает проблема неравнозначности между температурным сжатием и
расширением в слоях Земли. По [18 ] расширение может быть на 2,63 раза больше чем
сжатие. По [16,17 ] сжатие не расширяется на 0,2-0,3. Учитывая то, что Земля в целом
находится в состоянии сжатия [2,12,17 ] при расчетах указанный эффект можно принять
равным 0,3.
Учитывая величину переходного слоя в 600км между нижней и верхней мантией
можно допустить, что этот слой наиболее подвержен к температурным напряжениям и
его наличие возможно связано с расширением и сжатием под действием внутренних сил
Земли. Такое предположение сделано исходя из того, что наличие этого слоя возможно
связано с распадом долгоживущих и короткоживущих изотопов радиоактивных элементов
в нижней мантии. В основу такой модели можно принят высокую среднюю температуру в
нижней мантии (в средней части 4277о С) и наличие в ней оливина, пироксена и других
разновидностей окислов магния и других элементов [2, стр.173 ] , возможно некоторые
из них являющихся продуктами распада радиоактивных элементов с различной
длительностью. От нижней мантии к поверхности земли происходит уменьшение
температуры как показано выше. Что касается возможного влияния изменения
температуры в твердом ядре, то совпадение величины суммарной мощности его с
переходным слоем по современным данным (1251+ 140 км) с расчетным радиусом в
1390,9 км 4000 млн. лет назад дает возможность предположить об его малом влиянии на
все слои Земли.
Для определения влияния температурного напряжения на слои Земли принята схема
сжатия и расширения как один цикл через 54,54 млн.лет, включающая увеличение и
уменьшение внутренних сил через 27,27 млн.лет. По имеющимся данным коэффициент
линейного расширения ( Кр) в слоях Земли меняется от 0,15х10-5 ( твердое – жидкое ядро)
до 1,8х10-5 по [2 ] в гранитном слое. При этом фиксируется точность этих определений
до 50 и более процентов. Учитывая это значение коэффициента линейного расширения
определено как среднее с учетом мощности всех слоев. Оно равно 0,517х10-5. Изменение
температуры (Т) нижней мантии при ее повышении и понижении определено как 15% от
4277оС и оно равно 642оС.
По приведенным данным определены значения сжатия и расширения по формуле:
D Нс = Нн.м х Ксх Т, где D Нс- величина сжатия мощности нижней мантии (Нн.м.) при
понижении температуры и D Нр = Нн.м х Крх Т х 2,63 – величина расширения мощности
нижней мантии при повышении температуры. Коэффициенты сжатия (Кс) и расширения
(Кр) приняты равными.
По приведенным формулам вычислены температурные сжатия и расширения с
учетом их смены по времени через 27,27 млн. лет. Тогда количество сжатия и расширения
за 4000 млн.лет составит 73 и 73,68 соответственно. В настоящее время в слоях Земли
возможно идет тепловое расширение. По данным работ [1 ] и [2 ] можно допустить, что
геологическая эра Земли начиналась с температурного понижения или сжатия. С учетом
этих данных в пределах 4000 – 3972,73 млн.лет нижняя мантия была в положении сжатия
из-за понижения на 642оС температуры этого слоя. Величина сжатия составила 7км. Тогда
мощность нижней мантии могла быть 2096,12км. С учетом полной нерелаксируемости
сжатия на 0,3 расширяющая часть мощности слоя составит 1467,28км. С учетом этого
величина расширения в интервале времени 3972,73-3945,46 млн.лет может составить
12,81км.
За один цикл (сжатие- расширение) изначальная мощность нижней мантии в
интервале времени 4000-3945,46 млн. лет могла расшириться на 5,8км. Расчет
последующих циклов (за цикл принят суммарное время сжатия и расширения) показал
аналогичные данные (3945,46-3890,92 –расширение 5,8км; 3890,92-3836,38 –расширение
5,8км и т.д.). Тогда суммарное расширение нижней мантии за 73 цикла составило 423,4км.
С учетом незавершенного в настоящее время 74-го (18,54 млн.лет или 0,68 от 27,27
млн.лет) теплового расширения при повышении температуры до 436,50С общее тепловое
расширение по принятой в работе модели составит 428,14км. Учитывая радиус
равновеликого шара земли в настоящее время это значение теплового расширения
уменьшится на 148,2км. Тогда возникает вопрос чем могло компенсироваться избыточное
расширение 280км.
Эти данные согласуются с данными работы [19 ] , где указана величина сжатия
радиуса радиус равновеликого шара земли на 291,6км из-за влияния внешних сил. Тогда
влияние внешних и внутренних сил на слои земли компенсируется с точностью в
пределах 4 процентов (291,6-280= 11,6км; 11,6: 285,8= 0,04; 291,6+280/2=285,8). Эти
совпадения возможны неслучайны.
Возможное расширение в слоях Земли за геологическое время отнесено к изменению
мощности нижней мантии с 2103,1км до 2251,3км. По современным данным мощность нижней
мантии 1900км и с учетом переходного слоя 600км их суммарная мощность оценивается
2500км. Возникает вопрос - чем может быть связано данное несоответствие? Возможно это
связано со сложным механизмом изменения изначальной (4000 млн.лет назад) мощности
каждого слоя Земли под действием внешних и внутренних сил (переходных зон под действием
радиоактивных, термодинамических, механических и других процессов). Даже уменьшение
изначальной мощности внешнего или жидкого ядра на 231,6км (2311,6 – 2080) может привести
к увеличению суммарной мощности нижней мантии и переходного слоя до 2482,9км. Как
видно перераспределение различных процессов в слоях Земли возможно и такой сложный
механизм во взаимосвязи между ее слоями нельзя отрицать. Необходимо еще учесть, что все
существующие на сегодня модели внутренних слоев Земли имеют вероятностный характер в
дальнейшем могут появиться их более уточненные варианты [2,7,11,16,19 ] .
В данной работе обращено внимание авторов на изменение мощности нижней
мантии. Это неслучайно. На это наводит, как отмечено выше, большая мощность
переходного слоя и относительная большая температура в нижней мантии. К этому еще
учесть уровень энергии химических реакции по [16 ] и радиоактивных процессов по
[2 ] становится понятным влияние различных процессов в нижней мантии на
нижележащие и перекрывающие слои. При этом надо иметь в виду, что ни один
природный процесс в любом внешнем или внутреннем слое земли не происходит без
взаимовлияния между слоями. Это и понятно, если исходит из взаимосвязи всех четырех
сил, существующих в природе [20,14 ] .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дж.Уэтерил Начальный этап эволюции континентов. Верхняя мантия
континентов. М.: МИР,1975. С.14-22.
2. М.Ботт. Внутреннее строение Земли. М.: МИР.1974, 373 с.
3. Н.Кэлдер. Беспокойная Земля. М.: МИР. 1975, 213 с.
4. Геологический словарь в двух томах. М.: «Недра». 1973г.
5. К.З.Стариков. Астаномия. Алматы. КазГУ им. С.М. Кирова. 1966г. 110 с.
6. Справочник физических констант горных пород. М.: МИР, 1969г. 543 с.
7. Б.Болт. В глубинах Земли. М.: МИР.1984,189с.
8. Ф.Стейси. Физика Земли. М.: МИР. 1972, 342с.
9. В.Н.Жарков, В.П.Трубицын, Л.В. Самсоненко Физика Земли и планет. Фигуры и
внутреннее строение. М.: Наука.1971,383с.
10. В.Н.Жарков. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 415с.
11. Д.Ш.Садыков. К изучению механизма природных явлений на основе импульса
солнечной энергии // Вестник КазНТУ 3(26)/ 2001, С. 56-62.
12. Тектоносфера Земли. М.: Наука. 1978, 531с.
13. Поток энергии Солнца и его изменения. М.: МИР,1980. 558с.
14. Д.Ш.Садыков, М.С.Кунаев. Исследование механизма изменения уровня
Каспийского моря на основе анализа взаимодействия природных сил. Алматы.Ғылым.
2000.145с.
15. Шерман С.И. Лево К.Г. и др. Геодинамическая активность литосферы Азии:
основы анализа и принципы картирования. Геодинамика и развитие тектоносферы.М.:
Наука.1991.С.31-39.
16. Курскеев А.К., Оспанов Ф.Б., Тимуш А.В., Шацилов В.И. Прогнозирование
землетрясений в Казахстане. Алматы, «ЭВЕРО»,2000. 319с.
17. Земля, введение в общую геологию. М.: МИР. 1974.398-845с.
18. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975г. 575с.
19. Садыков Д.Ш., Кунаев М.С. Влияние внешних сил на слои Земли.// Вестник
КазНТУ, № 6(56) 2006,С.7-11.
20. П.Девис. Суперсила. М.: МИР. 1989. 271с.
Статья рекомендована д-ром геол.-минер.наук проф. Омирсериковым М.
07. 02. 2007 г.