Роль водорода, водородных связей и их нелокальности в решении (в контексте

Роль водорода, водородных связей и их
нелокальности в решении (в контексте
модели горячей Земли) таких задач как:
физика землетрясений и вулканизма,
физика образования месторождений
алмазов и углеводородов, и т.п.
Кузнецов В.В.
Водород Земли
Электропроводность оливина как функция
температуры и концентрации водорода (Karato. 1990).
Прокачка водородом SiO4 ведет к образованию воды:
SiO4 + H4 = SiO2 + H2O.
Прокачка водородом приводит к образованию
углеводородов по схеме Фишера и Тропша синтеза жидких углеводородов из СО и Н2 в
присутствии катализатора.
Присутствие потока водорода, сопровождающего подъем плюма, играет
определяющую роль в этом процессе.
Минералы, обладающие водородными связями: диаспор (AlOOH) и гётит
(FeOOH), записываются специальным образом: HAlO2, HFeO2. (Буллах и др.,
2008).
Водород Земли в модели горячей Земли.
Первые принципы. «Образование планет и их спутников происходит одновременно и в
едином механизме с рождением звезды. Начальная температура планеты определяется его
массой. В процессе образования вещество планеты находится в состоянии перегретого и
переуплотненного пара. Эволюция планеты заключается в охлаждении нагретого вещества и
превращении его из состояния пара в жидкость и жидкого – в твердое состояние путем
реализации фазовых переходов первого рода, конденсации и кристаллизации».
Изменение плотности и скорости звука на границе лед-вода - слева; и мантия-ядро справа.
Роль водорода в образовании алмазов.
А.А. Маракушев рассматривает образование алмаза согласно реакции:
MgFeSiO4 + (H2 + 0.5CS2) = MgSiO3 + 0.5C (алмаз) + FeS + H2O или MgFeSiO4
+ H2S + CH4 = MgSiO3 + C (алмаз) + FeS + H2O + 2H2. При воздействии
водородно- сероуглеродного флюида на железистые магматические
дифференциаты (согласно реакции на нормативно оливиновые), происходит
сульфуризация железистых нормативных минералов с образованием
пирротина (обычного во включениях как в алмазе, так и в перидотитах,
пироксенитах и эклогитах).
Особенности водородных связей. Кооперативность.
Н - связь
энергия
ккал/моль
расстояние в Å
А-В
расстояние в
Å
А - Н...В
слабая
0.1 - 1.0
3.0 - 3.5
2.0 - 2.5
средняя
5.0 - 15.0
2.7 - 3.0
1.7 - 2.0
сильная
20 - 60
2.2 - 2.5
1.1 - 1.2
Гидриды:
Т плав. ( С)
Т кип. (С)
Мол. вес:
1
H2 Te
- 60
-5
129.6
2
H2 Se
- 65
- 40
81
3
H2 S
- 85
- 60
34
4
H2 O
- 95
- 70
18
5
H2 O
0
100
18
Водородные связи имеются
в HF, Н2О, NH3, но их нет в
HCl, Н2S, PH3
Особенности водородных связей.
Молекулы воды с двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, образующими тетраэдр,
являются основой для образования "жидких кристаллов" элементов структурированной воды. Наиболее
стабильный жидкий кристалл состоит из 8 тетраэдрических молекул и называется Stella Octangula.
Водородные связи (точки, слева) и структура
льда (справа).
Акустическая эмиссия,
регистрируемая при таянии льда
(Кузнецов Д.М., 2008).
Ударно-волновая модель землетрясения:
Акустическая модель формирования УВ и её
недостатки.
а) Скорость образования трещин в диабазе при действии на образец
постоянного одноосного сжимающего напряжения (Журков и др. 1980). б)
Геоакустические сигналы, зарегистрированные перед землетрясением
18.12.2002 (К = 12.1) на Камчатке (ИКИР). Время события отмечено стрелкой
(Купцов, 2006).
Акустическое сверхизлучение.
Излучение раскрывающихся трещин (схлопывающихся дилатонов):
верхняя панель – излучение акустических волн без связи между
дилатонами. Средняя и нижняя панели – акустическая связь между
двумя, тремя и пятью дилатонами.
Акустические волны, возникающие при схлопывании N дилатонов
«запускают» (N – 1) дилатон. В результате акустический фон возрастает с
N импульсов в единицу времени до: N + N(N – 1) = N2 . (Связь: «каждый с
каждым». Принцип Маха для объяснения инерциальной системы).
Ударно-волновая модель землетрясения:
Когерентное сложение акустических импульсов в точке 0. Метод
пересекающихся характеристик (Жуков, 1960).
Модель укручения и «опрокидывания» солитона (Заславский, Сагдеев,
1988)
Ударно-волновая модель землетрясения:
Ударно-волновая модель землетрясения:
Выход ударной волны (УВ) на поверхность.
•
Выход ударной волны на свободную поверхность (в точке x2, t2). УВ выходит на свободную
поверхность и образует волну разгрузки, “бегущую” в обратном (по отношению к ударной волне)
направлении. Длительность её импульса t, за это время ударная волна проходит по земной
поверхности расстояние x = x3 – x2, h – глубина гипоцентра. В точке В так же возникает волна
разгрузки, которая направлена против направления ударной волны.
Ударно-волновая модель землетрясения:
Выход ударной волны (УВ) на поверхность.
Временная зависимость продольных компонент (transverse, vertical) скоростей
и смещений, записанных на станции Van Norman Complex.
Неадекватность акустического подхода.
Землетрясение
на Суматре.
26.12.2004.
Спитакское землетрясение 7.12.88 с импульсным типом вступлений - а.
Импульс Нортриджского землетрясения 17.01.1994 - b. Диаграмма первых
вступлений Нортриджского землетрясения - с.
Квантово-механическая модель формирования УВ.
Образование ударной волны на разрыве характеристики среды.
Ударная волна - это распространяющийся по среде фронт резкого, почти
мгновенного, изменения параметров среды: плотности, давления,
температуры, скорости. Ударные волны называют также сильными
разрывами или скачками.
Запишем уравнение дивергентного вида:
∂ρ/∂t + ∂f(ρ)/∂x = 0,
с условием на линии разрыва:
-D(ρ1 – ρ2) + f(ρ1) – f(ρ2) = 0,
где ρ1 и ρ2 – значения плотности на разрыве, а D = dx(t)/dt - наклон линии
разрыва – скорость УВ: D = Δρ/ρ Δx/ Δt.
Изменение удельного объема (ΔV/V = 4 %) в калисините при давлении 3.2
GPa (Allan et al., 2007)
Сейсмичность и водород.
«Сейсмические гвозди» (Вадковский,
Веселовский, 2000).
Сопоставление колебаний сейсмоакустической
эмиссии с изменением концентрации растворенного
водорода в потоке термальной воды во время и после
землетрясения 18.12.2002 г. (Кузьмин и др. 2004).
Квантовая механика
Принцип неопределённости Гейзенберга:
отношение неопределённости — между координатой и импульсом
частицы в пространстве:
отношение неопределённости между энергией и временем:
Волнова́я фу́нкция (функция состояния, пси-функция, амплитуда
вероятности) - используется для описания состояния
квантовомеханической системы, имеющей протяжённость в пространстве.
Принцип суперпозиции квантовых состояний.
Нелокальность, квантовая запутанность и телепортация
- Квантовая запутанность. Qquantum entanglement - одно из названий,
среди таких как: соотношение неопределённостей, связанность,
нелокальность.
- Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена.
- Кот Шрёдингера.
- Теорема Белла.
- Телепортация.
- Эксперименты с квантовой запутанностью.
Число зарегистрированных пар фотонов как функция задержки между
моментами регистрации двух фотонов. Плоский участок отвечает
случайным совпадениям между некоррелированными фотонами, пик
соответствует квантовой запутанности (Aspect, 2002).
Эксперименты по туннелированию и запутанности в
геологических образцах.
Водород на дейтерий –
отсутствие запутанности.
Изменение потенциала Морса
водородной связи О-Н силиката
магния (Mg2Si2O6H2) под
действием внешнего давления: 0,
23.5, 41.2 ГПа (Tsuchiya et al.,
2005).
Дифракционная картина для
решетки калисинита (КНСО3)
при 30 К (А) и при 300К (В)
(Nagai et al., 2002).
Сжатие льда
Результаты экспериментов по
сжатию льда различных
модификаций (Sugimura. et al. ,
2008) .
Возбуждение взрывной
нестабильности при сжатии
аммоний-водного льда (Фатеев,
2008).
Энергия (pV) поглощаемая средой при
действии давления на глубине 30 км в 1
см3 ВС: E = ρghV = 1 кДж. Для ВС это
составит ~ 18 кДж/моль, чего вполне
достаточно для разрушения ВС.
Плавление литосферы (образование вулканов) за счет
резкого сброса водородных связей.
Водородные связи малоустойчивы и разрушаются довольно легко (например при плавлении льда,
кипении воды). Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и
поэтому температуры плавления и кипения веществ с водородными связями между молекулами
оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей.
Сильные водородные связи между молекулами воды
препятствуют ее плавлению и испарению.
Механизмы плавления, приводящие к образованию магм. Здесь Т –
температура, р – давление; солидус – линия, отделяющая условия
существования твердого вещества: (а) – Плавление путем нагревания
при постоянном давлении: 1 – твердое вещество, 2 – частично
расплавленное.
(б) – Плавление путем адиабатического подъема.
(в) – Плавление при дегидратации минерала: S1 и S2 – солидус при
отсутствии воды,– солидус насыщенного водой расплава, D – кривая
дегидратации минерала.
(г) – Гипотетический случай перемещения линии солидуса в область
понижения температуры. Температура и давление не изменяются, а
вещество при этом плавится.
Квантовая запутанность в ВС газогидратов, как причина их
взрывного выброса.
Что делать…
1. Провести анализ всех известных экспериментов по АЭ образцов горных
пород на предмет выявления присутствия в них водородных связей.
2. Выяснить, выделяется ли водород из образца под прессом при редукции
волновой функции.
3. Экспериментально исследовать, сколько нужно времени для установления
связанности в образце и от чего оно зависит.
4. Выяснить, зависит ли температура плавления образца от количества ВС.
5. Подобрать информацию по наблюдениям спонтанных выбросов
газогидратов. Разработать феноменологическую модель такого выброса как
редукцию волновой функции ВС во льду под давлением.
6. Инициировать работы по регистрации водорода как в лабораторных
экспериментах, так и в сейсмоопасных регионах, в частности на Алтае и
Бишкеке.
7. Проработать идею о возможной связанности ВС различных природных
сред: литосфера – гидросфера - атмосфера.
8. Провести эксперименты по запутанности с двумя идентичными образцами
на разнесенных прессах. Выяснить, существует ли эффект связанности и
зависит ли он от расстояния.
9. Разработать модель УВ в земной коре при других рТ-условиях литосферы
(300 млн. лет назад), - как возможную причину образования трубок взрыва
(Сасовский взрыв в Рязанской обл.).
Всё, о чем здесь говорилось, - можно отнести к теме:
«НАНОТЕХНОЛОГИИ В ФИЗИКЕ ЗЕМЛИ»