Аннотация: Раскрывается природа сил, порождающих дрейф континентов (литосферных плит), землетрясения, горообразование, поднятие-опускание участков земной коры. Даются оценки параметров мантийных конвекционных потоков и напряжений в земной коре, порождаемых ими. Предлагается концепция и модель краткосрочного прогнозирования землетрясений. Предлагается легко реализуемая и экономически выгодная система оперативного оповещения об уже распространяющихся сейсмических волнах и волнах цунами от только что произошедшего землетрясения.
Main quake and continent drift driving forces and mounting generation (orogeny). Quake forecasting and trigger forces.
Abstract: Discovered is the nature of forces that generate continent's (lithosphere slabs') drift, quakes, mounting generation (orogeny), the earth's crust uplifting / subsidence. Mantle convection flows and earth's crust tensions, generated by them, are estimated. The short-term quake forecasting conception and model are suggested. The notification system for coming seismic and tsunami waves that have generated by just having place quake is proposed. The system is profitable and can be easily put into practice.
До сих пор нет полного понимания и теории таких явлений, как дрейф континентов (литосферных плит), землетрясения, горообразование, подъем-опускание земной поверхности, извержение вулканов. Хотя во многих работах достаточно подробно освещены те или иные стороны этих процессов, но цельной схемы, позволяющей объяснить движущие силы и механизмы этих процессов, нет. Поэтому и не решена до сих пор проблема прогнозирования землетрясений, становящаяся все более актуальной (в связи с ростом народонаселения).
В настоящей работе выявляются эти силы и механизмы. Основываясь на имеющихся результатах измерений, сделана оценка параметров мантийных потоков и сил, с которыми они действуют на земную кору. Эти силы вполне достаточны для горообразования (с землетрясениями) в результате выдавливания земной коры на границе сжимающихся плит в виде горных хребтов. Показано, что именно сравнительно малые, но быстро меняющиеся спусковые силы (атмосферное давление и приливы) определяют момент прихода землетрясения. Поэтому знание текущих напряжений земной коры и учет прогноза погоды и приливов делает возможным прогнозирование землетрясений. Предложен вариант создания простой, надежной и эффективной (без ложных срабатываний) системы обнаружения волн цунами в океане и сейсмических волн на поверхности суши от только что произошедших землетрясений и намечены пути создания системы прогнозирования землетрясений.
Первопричиной таких явлений, как землетрясения, дрейф континентов, горообразование, извержения вулканов, в конце концов, является тепло земных недр. Видится несколько основных механизмов превращения этого тепла в механическую энергию, преобразующую земную поверхность:
А) за счет уменьшения радиуса (и площади поверхности) планеты вследствие миллиардолетнего уменьшения средней температуры недр Земли.
Б) изменение плавучести земной коры (более легкой и тугоплавкой, чем мантия) при увеличении со временем ее средней толщины, а также при различном изменении толщины соседствующих участков коры при ее контакте с различными частями мантийных конвекционных потоков.
В) увлечение твердой, плавающей в мантии коры вязкими мантийными конвекционными потоками вызывает дрейф континентов и горообразование.
Здесь перечислены только главные (по нашему мнению) механизмы возникновения движущих сил тектонических процессов. Другие силы или намного меньше, или возникают вследствие действия уже перечисленных сил в различных условиях, и не могут быть затронуты в рамках короткой работы.
А) Средняя температура недр нашей планеты за счет отвода внутреннего тепла через земную поверхность в космос (с геотермическим градиентом порядка 30°С/км) медленно, но неуклонно снижается независимо от природы тепла внутренних областей Земли, будь это остаточное тепло давних процессов, или тепло, генерируемое и сегодня радиационными распадами. Например, генерация тепла за счет распада урана U235 снижается вдвое каждые 0.7 млрд. лет (период полураспада U235). Падение средней температуры недр нашей планеты, скажем, на 100°С, приводит к сокращению линейных размеров (диаметра), объема и площади поверхности планеты. Площадь поверхности жесткой "несжимаемой" земной коры при этом вынуждена уменьшиться примерно на 1 млн. км2, хотя объем вещества коры остается почти неизменным (поскольку температура поверхности планеты (коры) практически не изменилась при уменьшении температуры недр). Поэтому "лишняя" часть вещества оставшейся неизменной по объему коры (вынужденной уменьшить свою поверхность - она не может висеть в воздухе над слегка уменьшившейся планетой) выдавливается в виде гор общим объемом порядка первых млн. км3 за время остывания недр Земли на 100°С ([2], стр. 232) в процессе, казалось бы, ничтожного уменьшения размеров планеты. Линейный коэффициент температурного расширения вещества недр Земли принят равным k = 0.0001*(1/1°С).
Отметим, что объем гор, образующихся вследствие уменьшения размеров Земли (обусловленного уменьшением средней температуры недр), очень мал по сравнению со скоростями эрозионных процессов и с возможностями двух других механизмов, описываемых ниже.
Б) Судя по концентрации теплогенерирующих радиоактивных веществ в земной коре (концентрация известна из измерений) и по инструментально найденной неизменности темпа роста температуры по мере углубления в твердую кору ([1]), температура с глубиной растет так быстро, что из-за высокой температуры ниже поверхности Мохо вещество должно находиться уже не в твердом, а в жидком состоянии ([2]). Выше поверхности М глубинное тепло передается за счет теплопроводности в твердой среде (с большим тепловым сопротивлением и термоградиентом), а ниже (из центральных областей Земли к поверхности М) - более эффективным путем переноса тепла конвекционными потоками в жидкой магме (пусть даже в очень вязкой, малоподвижной). Поэтому на поверхности М возможен переход вещества из жидкого состояния в твердое (кристаллизация более легких и тугоплавких составляющих магмы на нижней поверхности коры) и изменение, вследствие этого, плавучести коры. Скорость подъема дневной поверхности за счет этого может достигать долей и единиц миллиметров в год для коры толщиной порядка 30-50 км (для менее толстой коры скорость подъема может быть выше). Скорость подъема верхней поверхности коры, плавающей в мантии, равна скорости увеличения толщины коры, умноженной на отношение разности плотностей вещества мантии и коры и плотности вещества мантии (dмант - dкоры) / dмант. Максимальная скорость изменения толщины коры (скорость кристаллизации вещества мантии на нижней поверхности коры) может быть вычислена, исходя из знания теплового потока через кору и теплоты кристаллизации для случая, когда снизу тепло совершенно не подводится, так что наверх через кору отводится только тепло кристаллизации [2]. На самом же деле, скорости подъема - погружения коры много ниже - скорость кристаллизации далека от максимальной - наверх проводится и тепло кристаллизации, и тепло, подходящее к нижней поверхности коры из глубин. При неравномерном подъеме разных участков коры в ней возникают огромные напряжения изгиба и вертикального сдвига, разряжающиеся в моменты превышения предела прочности пород коры (с землетрясениями [2]). Подъем-опускание коры за счет изменения ее толщины обеспечивает также медленное увеличение-уменьшение ее высоты над уровнем моря за большие промежутки времени, а также восстановление некоторой части объема материковой коры, которого она лишается в процессе эрозии.
Миллиарды лет назад на нижней поверхности более тонкой тогда коры (поток глубинного тепла и геотермический градиент были намного больше) кристаллизовались наиболее тугоплавкие и легкие составляющие тогдашней магмы, в результате чего образовалась гранитная кора (нынешние материки). При этом за счет вымывания из состава магмы более легких составляющих ее состав слегка изменился. Так что в последующее время на нижней поверхности коры из магмы кристаллизовались уже не граниты, а более тяжелые базальты медленно изменяющегося состава (в зависимости от времени их образования).
В) Можем вычислить величину силы вязкого трения, с которой конвекционный мантийный поток увлекает (тянет) плавающую на его поверхности кору и заставляет ее медленно перемещаться вместе с ним - дрейфовать. Для этого нам придется принять некоторую модель потока.
Понятно, что свободная поверхность невязкой жидкости в поле силы тяжести, например, воды в океане, практически горизонтальна - иначе жидкость сразу же стечет сверху вниз, и поверхность станет горизонтальной. Поверхность воды в океане является эквипотенциальной (потенциал гравитационного поля на ней всюду одинаков) и образует геоид. Точно также становится горизонтальной и поверхность вязкой жидкости, долгое время остающейся только под действием силы тяжести, без других воздействий.
Если на поверхности этой жидкости плавает слой более легкого вещества, то, в соответствии с законом Архимеда, горизонтальным будет приведенный уровень поверхности Lp = Lm + Hk * (dk / dm). В рассматриваемом нами случае на поверхности мантии плавает более легкая твердая земная кора (с толщей воды над ее океанической частью). Поэтому для каждой локальной области земной поверхности мы вычислим высоту приведенного уровня мантийного вещества, совпадающую, в среднем, с высотой свободной поверхности мантии (которую она имела бы при отсутствии плавающего на ней слоя). При этом возможны локальные отклонения из-за прочности коры:
Lp = Lm + Hk * (dk / dm) + Hокеана * (dводы / dm).
Здесь Lp - высота приведенного уровня, Lm - высота уровня мант. вещества, dm - плотность мантии (3.3 г/см3), Hk - толщина коры, dk - плотность коры (2.8 г/см3), Hокеана - глубина океана, dводы - плотность воды (1.0 г/см3).
Вычисляя приведенные уровни для многих географических точек, мы сразу же увидим, что поверхность приведенного уровня далеко не горизонтальна - так для нас проявятся расположение и интенсивность конвекционных потоков в вязкой мантии под приведенной поверхностью.