Моделирование тектонических сил (мантийного трения) и вулканических процессов | Блог о природе

В главах «Дрейф плит», «Горообразование», «Движущие силы...» дано описание механизма генерации сил, достаточных для развития в земной коре наблюдаемого напряжения сжатия до 400 МПА [1], приводится полученное нами выражение для силы вязкого трения, с которой верхние участки очень вязких мантийных конвекционных потоков в своём стремлении к изостазии увлекают более твёрдую, можно сказать, кристаллическую кору с силой:

F = ? * g * d * ?W * (?H)2.

Моделирование вулканических процессов

Предлагается схема моделирования вулканических процессов с помощью разнородных материалов, перемещающихся через зону, температура в которой превышает температуру плавления некоторых из используемых материалов.

F = ? g * Dm * ?W * (DH)2

Адекватность описанного механизма возникновения главных тектонических сил, ответственных за тысячекилометровые перемещения материков, за горообразование, за землетрясения и извержения вулканов, может быть подтверждена или опровергнута совершенно простыми натурными экспериментами в лаборатории. Возникновение и величина силы вязкого трения, с которой мантийный конвекционный поток увлекает твёрдую кору, плавающую на нём, может быть исследовано на следующей экспериментальной установке:

Модель сил

Рис 1. Моделирование сил вязкого трения

Здесь

UL (ВУ), LL (НУ) – верхний и нижний уровни вязкой жидкости,

?L = ULLL,

F = f(?L),

T = F / cos(?) – сила субгоризонтального сжатия.

F = f(?L) – сила вязкого трения, зависящая от перепада (разности ?L) уровней вязкой жидкости,

Т – показание тензометрического датчика напряжения (измерителя силы).

Нижняя поверхность подвижной платформы должна быть смачиваемой битумом. В этом случае она будет увлекаться «потоком» битума, медленно текущего под влиянием разности уровней ?L в верхнем и нижнем резервуарах. При этом в установке должно быть обеспечено свободное скольжение подвижной платформы (с минимальным трением) относительно верхнего и нижнего упоров и боковых стенок (не изображённых на рисунке). Боковые стенки и упоры здесь обеспечивают конфигурацию потока.

При рассмотрении выражения зависимости силы вязкого трения

fv = F = ? * g * d * ?W * (?H)2 ,

действующей на земную кору (или на подвижную платформу в предлагаемом эксперименте), может показаться странным, что сила вязкого трения в приведённом выражении совершенно не зависит от коэффициента вязкости рассматриваемой жидкости и от скорости вязкого потока. Хотя из курса физики известно, что при малых скоростях сила вязкого трения пропорциональна коэффициенту вязкости и скорости. Но, в свою очередь, в рассматриваемом случае скорость течения в первом приближении пропорциональна движущей силе, то есть, разности высот уровней, между которыми движется вязкая жидкость. А разность высот (также в первом приближении) пропорциональна вязкости жидкости. Потому и выпадает из конечного выражения для силы вязкого трения, действующей на увлекаемую поверхность, явная зависимость от коэффициента вязкости и от скорости потока. Остаётся только зависимость от квадрата перепада уровней и величины увлекаемой площади. С целью демонстрации отсутствия явной зависимости силы трения от коэффициента вязкости и от скорости вязкой жидкости в рассматриваемом явлении описываемый эксперимент может быть произведён при различных температурах битума (то есть, при его различной вязкости) или даже с использованием вместо битума вязких масел, имеющих ещё меньший коэффициент вязкости, но зато бОльшую скорость при одной и той же разности верхнего и нижнего уровней. К тому же при малой вязкости используемой жидкости стационарное течение устанавливается гораздо быстрее, тогда как в случае использования битума при комнатной температуре результатов измерения придётся ждать месяцами, если не годами.

В предлагаемом нами эксперименте мы ожидаем в результате измерения силы получать всегда одинаковое значение (при постоянстве разности уровней, которую мы задаём), независимо от вязкости вещества в потоке, будь это минеральное масло или битум.

Но в природе разность уровней не постоянна (в том числе, и во времени). Она зависит от вязкости пород мантийного конвекционного потока; чем больше вязкость, тем больше перепад высот, тем больше сила вязкого трения.


Моделирование вулканических процессов

Предлагается схема моделирования вулканических процессов с помощью разнородных материалов, перемещающихся через зону, температура в которой превышает температуру плавления некоторых из используемых материалов.

Для экспериментальной иллюстрации результатов, приводимых в работе «Природа вулканических извержений» [3], можно предложить установку для имитации и изучения вулканических явлений – образования магматических камер и собственно вулканических извержений в моменты повышения давления в магматической камере вследствие тектонических движений. Мы не сможем имитировать явления, протекающие на больших глубинах в земных недрах, в полном объёме, такие как изменение плотности или температуры плавления среды в зависимости от температуры и давления. Но можем моделировать некоторые доступные стороны процесса вулканического извержения, а именно: переход в некотором замкнутом объёме вещества из твёрдого состояния в жидкое и создание избыточного давления в этой зоне за счёт линейного перемещения некоторого объёма. В предлагаемом эксперименте имитируется субдукция и получается избыточное давление достаточной величины путём медленного вдвигания-вдавливания твёрдого плоского двухслойного бруска, состоящего из слоя нафталина с температурой плавления 80?С и слоя парафина с температурой плавления 50?С (45-52) в массив, также состоящий из нафталина и парафина. На верхней поверхности массива поддерживается комнатная температура (20?С). На нижней наклонной поверхности массива, ограниченной гладкой металлической плоской пластиной, с уменьшением высоты температура повышается от 20?С до 70?С. Так что вдавливаемый вдоль пластины брусок по мере его медленного движения, скольжения под основным массивом по металлической пластине, будет прогреваться вплоть до плавления парафина.

Вдавливание бруска, имитирующего литосферную плиту, происходит хоть и медленно, но зато с очень большим усилием, достаточным для превышения предела прочности бруска (даже при комнатной температуре). В природе это усилие проявляется в виде огромного напряжения субгоризонтального сжатия земной коры, в её деформации, в том числе и в горообразовании. В результате одномерного вдавливания бруска в расплавленном в зоне нагрева парафине будут возникать большие всесторонние избыточные давления, достаточные для прорыва жидким парафином плотного массива над зоной нагрева.

Как мы уже видели, напряжения сжатия в земной коре часто превышают предел прочности пород земной коры на сжатие. Это превышение предела прочности так велико, что его достаточно для выдавливания из пород коры горных хребтов. Причём напряжения коры в окрестностях хребта (Токр) и под самим хребтом (Ткрп) связаны следующим образом:

Токр = Ткрп + Ргорн.

Эти напряжения тем более могут превысить предел прочности пород коры на растяжение. Это превышение и происходит, когда из магматического очага под действием избыточного давления (возникающего вследствие подвижек пород земных недр, то есть, землетрясений в определённых условиях [3]) выдавливается жидкая магма. Это давление, передаваемое через жидкую магму, разрывает породы коры и прокладывает канал, по которому из магматической камеры выходит жидкая магма (снижая давление).

Что касается силы, могущей создать избыточное давление, необходимое для выдавливания магмы из очага, то она (сила) рассмотрена и оценена выше.

Модель вулкана

Рис 2. Моделирование возникновения магматических камер

и извержений вулканов

Так что в результате разрыва пород в окрестностях камеры (образования трещин) жидкость будет выдавливаться из ограниченного объёма с избыточным давлением, и будет происходить кратковременное «извержение» парафинового «вулкана». В результате «извержения» давление уменьшается, «извержение» прекращается. Различие агрегатных состояний (твёрдых стенок и жидкой «магматической камеры») в нашей установке достигается несколько искусственно, за счёт того, что со всех сторон подогреваемого объёма жидкой «магматической камеры» располагается твёрдый нафталин (точно так же в земных недрах различие агрегатных состояний внутри и вне магматической камеры обеспечивается различием составов вещества в этих объёмах при одинаковой температуре [3]). Вместо нафталина и парафина в этом имитаторе вулкана могут быть использованы и другие комбинации веществ с различающимися температурами плавления. Например, битум, воск, парафин (или любые другие вещества, удобные в работе) с соответствующим подбором температуры в зоне образования магматической камеры.


Заключение

Приведённое в [2], [3] и настоящей работе описание механизма возникновения тектонических сил и оценки действующих сил вполне достаточно для объяснения механизма движения литосферных плит, вулканических извержений, горообразования (выдавливания пород коры вверх при превышении предела прочности коры), для объяснения механизма возникновения более мелких деталей рельефа земной поверхности – холмов, расщелин, и т. д. А также для объяснения наблюдаемых в земной коре напряжений сжатия и растяжения с огромным преобладанием напряжения сжатия.


Источники.

1. Короновский Н.В. Напряжённое состояние земной коры. Соросовский образовательный журнал, №1, 1997, стр. 50

(через http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/addon/)

() http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/addon/1997%20%d0%9a%d0%be%d1%80%d0%be%d0%bd%d0%be%d0%b2%d1%81%d0%ba%d0%b8%d0%b9,%20%d0%9d%d0%b0%d0%bf%d1%80%d1%8f%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d0%be%d0%b5%20%d1%81%d0%be%d1%81%d1%82%d0%be%d1%8f%d0%bd%d0%b8%d0%b5%20%d0%b7%d0%b5%d0%bc%d0%bd%d0%be%d0%b9%20%d0%ba%d0%be%d1%80%d1%8b.pdf

2. Шумилов В.Н. "Главные движущие силы землетрясений, дрейфа континентов и горообразования. Прогнозирование землетрясений и спусковые силы." Матеріали VI Міжнародної науковой конференції "Моніторінг небезпечніх геологічних процесів та екологічного стану середовища" 6-8 жовтня Київ 2005. Доступно по адресу:

http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1174973

3. Шумилов В.Н. Природа вулканических извержений. Доклад на конференции, «ГЕОФІЗИЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОГНОЗУВАННЯ ТА МОНІТОРИНГУ ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА», 6-10 жовтня 2008 р., м. Львів Доступно по адресу:

http://shumilov.kiev.ua/geofizika

Интересные статьи по теме :

  1. Главные движущие силы землетрясений, дрейфа континентов, горообразования. Прогнозирование землетрясений и спусковые силы

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: