Проблеми повзучості та в’язкості - раздел Геология, Геодинаміка Важливим Параметром Фізичної Моделі Землі Є В’Язкість. Питання Існування Течі...
Важливим параметром фізичної моделі Землі є в’язкість. Питання існування течій в надрах Землі вимагає до вибору фізичних параметрів, які б визначали закони таких течій. В загальному сенсі ці параметри можна назвати “в’язкістю” земних надр. Але дати чітке визначення в’язкості земних надр ще дуже важко. Простіше дати визначення в’язкості рідких ядер Землі, Венери та Меркурія або в’язкості рідких планет-гігантів. В цих випадках ми маємо справу із звичайною ньютонівською в’язкістю.
Якби кора і мантія складалися із ідеальних кристалів без дефектів, вони б мали міцність, яка б перевищувала міцність реальних порід у 103 разів. Ще більше значення наявність дефектів в реальних гірських породах має для їх в’язкості. Якби кора і мантія складалися із ідеальних кристалів, то в’язкість їх практично дорівнювала б безкінечності, тобто вони не володіли б властивостями повзучості. Спираючись на данні геології та геофізики, можна стверджувати, що кора і мантія зазнала крупно масштабної течії, в результаті якої її фігура стала наближеною до сфери.
Властивість до повільних напружених деформацій твердих полікристалічних тіл обумовлена наявністю в них “точкових” і лінійних дефектів кристалічної структури – вакансій і дислокацій. Ці дефекти завжди присутні в реальних кристалах. У фізику твердого тіла поняття про теплові дефекти ввів Я.І. Френкель у 1926 р. Він показав, що в стані теплової рівноваги постійно відбуваються процеси утворення дефектів та їх рекомбінація, причому так, що при заданих (р, Т) умовах стала концентрація дефектів увесь час зберігається. Поряд з дефектами за Френкелем велике значення мають дефекти за Шоттки, які частіше називають просто вакансіями (1935 р.). Він встановив, що в одноатомному твердому тілі дефект представляє собою просто вакансію (аніонну і катіонну). В реальному кристалі газ точкових дефектів постійно знаходиться в хаотичному тепловому русі, перемішуючи кристал. Здатність кристалу до перемішування визначається його коефіцієнтом самодифузії. Можливість дифузії у твердих кристалічних тілах показує, якщо в них створити градієнти концентрації вакансій, то вирівнювання цих градієнтів супроводжуватиметься переносом речовини, тобто її течією. У зв’язку з цим в’язкість полікристалів називається дифузною. Дифузну в’язкість відкрили незалежно один від одного Херинг (1950 р.) у США та Набарро (1948 р.) у Англії. Узагальнив дифузну в’язкість на випадок високих тисків і застосував її до фізики мантії Землі Жарков у 1960 р.
Реально дифузна в’язкість може визначати течію речовини при досить високих температурах, коли концентрація теплових дефектів перевищує концентрацію природних домішок атомів, якими “забруднена” будь-яка реальна речовина і при досить низьких дотичних напругах, тобто коли приведені в дію потужніші механізми пластичної течії твердих тіл. Щоб оцінити розподілення дифузної в’язкості в мантії Землі, необхідно передусім відкрити залежність енергії утворення дефектів від тиску.
Оцінка розподілення в’язкості земних надр за будь-якою формулою, поширеною в геофізиці, не дуже надійна через виключно сильну експоненціальну залежність від температури. Але розроблена Жарковим формула визначення в’язкості при низьких тисках володіє тим, що дозволяє оцінити стрибки щільності на фазових переходах. Фізична природа властивості (рис. 1.32) була з’ясована відносно недавно. За сучасними уявленнями, пластична течія кристалічних твердих тіл обумовлена рухом лінійних дефектів (дислокацій) в їх площинах повзання та переповзання дислокацій з одних площин ковзання в інші. Дислокації бувають крайові, вінтові та змішаного типу. Теорію дислокацій досить детально розробили Г. Тейлор, Е. Орован і М. Поляні у 1934 р. Вони зробили висновок, що рух дислокацій через весь кристал представляє собою елементарний акт пластичної деформації. Останні належать до лінійних дефектів кристалу. Наявність дислокації помітно полегшує ковзання верхньої половини кристалу по нижній на одну сталу гратки. Можна сказати, що проходження однієї крайової дислокації в своїй площині ковзання через увесь кристал змішує дві половини кристалу на один просторовий “квант” – сталу гратки.
Другим важливим процесом, пов’язаним з пластичною течією кристалів (або полікристалів), є так зване переповзання дислокації з однієї площини ковзання в іншу. Під цим ефектом розуміють нарощування або зменшення зайвої кристалічної напівплощини в кристалі, в результаті чого дислокаційна лінія переміщується в одну з нижніх площин ковзання або, навпаки, піднімаються в одну з верхніх площин ковзання. Можливі різноманітні взаємодії дислокації, а також процеси народження і анігіляції дислокацій. Але щоб полікристалічне тіло деформувалося як суцільне пластичне середовище (що має місце для силікатів при високих температурах) повинні відбуватися як процеси ковзання дислокацій в їх площинах ковзання, так і процеси переповзання дислокацій. Швидкість процесів переповзання дислокацій визначається швидкістю підводу або відводу матеріалу, яка контролюється дифузією “точкових” дефектів. Дислокаційна в’язкість полікристалу, як і дифузна в’язкість, обернено пропорційна коефіцієнту самодифузії.
Можна зробити висновок про те, що в’язка течія речовини мантії забезпечується в’язкістю та повзучістю речовини під дією відповідних дотичних напруг.
Рисунок 1.32 – Пластична течія порід, визначена за залишковою намагніченістю (за В. Жарковим)
Вище викладене дозволило розробити теорію теплової конвекції, дослідження якої показало, що конвективні течії витісняються в зони з в’язкістю <1023 пуаз. Коли б вся мантія була охоплена ефективною конвекцією, то розподілення температур в ній простежувалося б вздовж адіабати. Але для такого розподілення температур в’язкість на границі фазового переходу в мантії (l=670 км) приймає значення 2×1027 пуаз та швидко зростає в бік границі з ядром, де стає рівною ~4×1033 пуаз. Це означає, що речовина мантії не володіє властивостями текучості, а стає до даних з геології та геофізики в протиріччя (щодо еволюції планети).
Тому температури в мантії глибше рівня l=670 км повинні бути вищі за адіабатичних. В цьому випадку мантія по в’язкості розбивається, грубо кажучи, на дві зони – для глибин 100-670 км в’язкість потрапляє в інтервал від ~6,3×1017 до ~5,5×1020 пуаз, глибше 670 км в’язкість >1023 пуаз.
Розрахована Жарковим в’язкість належить до рівня напруг –10 бар. Останні досить малі, що б витримувати такі напруги досить тривалий час. Розумною оцінкою для напруг в середній та нижній мантіях є величина ~30 бар. Тоді в’язкості рівномірно зменшуються на порядок, тобто буде >1022 пуаз. Такі значення в’язкості допускають конвективні течії в мантії і відповідно повинні призводити до зниження температур, що, у свою чергу, через сильну експоненціальну залежність в’язкості від температури повинні призвести до різкого росту в’язкості нижньої мантії.
За експериментальними даними, розподілення температур в середній та нижній мантіях необхідно вибрати таким, щоб при рівні дотичних напруг в цих зонах (t ~ 30 бар) в’язкість потрапляла в інтервал ~5,5×1022 – 1024 пуаз. Базуючись на цьому, можна вважати, що температура мантії на границі з ядром ~3400-3500°К.
Розподілення в’язкості та температури дозволяє зрозуміти відсутність надглибоких землетрусів (в мантії відсутні землетруси з глибиною осередка >700 км). Справа, можливо, в тому, що ріст напруг знижує в’язкість, а це призводить до релаксації напруг (напруги зникають за рахунок течій). Щойно в’язкість знижується до <1022 пуаз, зона переходить із статичного стану в конвективний. Починає відбуватися винос тепла і різке пониження температури, що спричиняє повернення мантії у вихідний стан з h>1023 пуаз [10].
Все темы данного раздела:
Вано-Франківськ
МВ 0
Наукові основи геодинаміки. Внутрішня будова та властивості Землі
Землю як планету, її походження в Сонячній системі вивчає наука космогонія. Розміри і форму Землі та особливості рельєфу – геодезія. Будову, склад та стан речовини, яка складає Земл
Поняття про науку “Геодинаміка”. Структура та зв’язок з іншими геологічними дисциплінами
Останнім десятиріччям геодинаміка відокремилась в окрему галузь знань про Землю. Це – наука про глибинні сили та процеси, які виникають внаслідок еволюції Землі як планети і які обу
Петрофізичні властивості земних надр
Земна куля в межах, які доступні для спостереження, складається, як відомо, з кількох оболонок – атмосфери, гідросфери та літосфери. Остання є самою верхньою кам’яною оболонкою Земл
Первинна речовина Землі
Одним з головних геологічних методів вивчення є метод безпосереднього спостереження та всебічного дослідження речовини, яка складає земну кору. Він базується на вивченні розрізів ша
Характеристика геосфер
Земна кора. Ця геосфера складає невелику частку від загальної маси Землі. За потужністю та складом виділяють три типи земної кори:
Континентальна кора характе
Фізичні властивості геосфер
Відсутність прямих даних про щільність речовини глибинних геосфер Землі обумовлює необхідність використання непрямих, наприклад, сейсмологічних даних.
Із загальних уявлень
Хімічний склад земних надр
Щодо питання первинної речовини Землі, то, згідно з космічною теорією, планети Сонячної системи, в тому числі і Земля, утворилися з газово-пилової хмари шляхом акреції речовини цієї
Диференціація речовини геосфер Землі
Які ж основні дані, що можуть бути використані при вивченні хімічного складу Землі в цілому? Їх небагато.
По – перше, хімічний склад земної кори. Але не слід забувати, що в
Питання для самоперевірки
1 Дайте визначення науки “Геодинаміка”?
2 Яку роль відіграє “Геодинаміка” серед інших наук геологічного циклу?
3 Які методи дослідження застосовує “Геодинаміка”?
4 Яку ро
Джерела теплового поля Землі
До групи поверхневих факторів теплового поля можна, по-перше, віднести випромінювання Сонця. Земля отримує дуже малу дозу випромінювання, лише одну двомільярдну його частину, що визначається порівн
Характеристика глибинного теплового поля
Особливої уваги заслуговує вивчення глибинних джерел теплового поля Землі. Справа в тому, що глибинне тепло нашої планети пов’язане з джерелами її внутрішньої енергії. Остання прояв
Проблема походження глибинного теплового поля Землі
Ця проблема досить складна сама по собі. Вона тісно пов’язана з іншими невирішеними до кінця проблемами – походження Землі, особливостей її внутрішньої будови, хімічного складу, тощ
Температура надр Землі
Вивчення фактичного розподілення температури Землі в значній мірі ускладнюється її варіаціями в доступній для вимірювання частині земної кори і загальною слабкістю вивчення мантії т
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні джерела теплової енергії геосфер Землі?
2 Дайте визначення теплового потоку?
3 Як змінюється температура за глибиною?
4 Назвіть методи дослідження тепло
Хімічний склад ядра
З чого складається ядро земної кулі? В світлі міркувань та цифр, викладених в попередніх лекціях, вирішення цього питання не було б дуже важким, але насправді є набагато складнішим ніж уявлялося.
Формування ядра
Перш за все питання про щільність. Ще у 1939 році В. Лодочніков, великий вчений Ленінградського гірничого інституту, подав цікаву думку про те, що щільність речовини, яка складає зе
Ббудова ядра
Ядро займає область від центру Землі до глибини 2900 км. Радіус границі, яка поділяє ядро і мантію 3470 км. Об’єм ядра складає 16% від об’єму Землі, маса – 31% від маси Землі. Основ
Магнітне поле Землі
В 1950 році було встановлено, що походження головного магнітного поля Землі пов’язане течією речовини у зовнішньому ядрі. Згідно з аналізом геомагнітного поля Землі можна сказати, щ
Питання для смоперевірки
1 Гіпотези утворення ядра Землі.
2 Будова ядра Землі.
3 В якому стані знаходяться речовина в ядрі Землі?
4 Який склад речовини ядра Землі?
5 Назвіть основні фізи
Таблиця 1.2 – Співставлення розрахункових і відомих значень характерних границь
Розрахунок
Відомі параметри
n
Н = А/ехр(n), км
Н, км
Характеристика
Таблиця 1.3 – Дані відомих геофізичних моделей Землі
Сфера
Шар
Інтервал глибин (км) за моделлю:
Гутенберга - Буллена
Джеффріса -Гутенберга
Склад та властивості мантії
Ключовою проблемою фізики мантії є проблема про фізичну природу шару “С” (при досить однорідному складі шарів “В” і “D”), який характеризується ненормально швидким зростанням швидко
Верхня мантія
Верхня мантія включає підкоркову частину літосфери та астеносферу (шар Гутенберга). Вона відокремлена від середньої мантії границею розподілу на глибині 410км. При переході через гр
Середня мантія
Середня мантія (шар Голицина) відокремлюється від нижньої на глибині 950-1000км. Нижче цієї границі швидкість сейсмохвиль плавно нарощується і для повздовжніх складає 9-11,4 км/с, д
Нижня мантія
Нижня мантія простежується до глибини 2900 км (границя Віхерта-Гутенберга). Тут різко зменшується швидкість повздовжніх хвиль з 12.6 до 8.1 км/с.
В основі границі нижньої м
Склад мантії та її властивості
Існує, як уже відзначалося вище, теорія “хондритової моделі” Землі. Хондрити мають ультраосновний склад. Вони вміщують в середньому 46% олівіну, 25% піроксену, 11% плагіоклазу, 12%
Характеристика тектоносфери
Літосфера та астеносфера – поняття, які відіграють велику роль у сучасній геофізиці та геології. Зовнішній жорсткий шар Землі називається літосферою, під нею розташований розм’якшен
Питання для самоперевірки
1 Будова мантії.
2 Властивості мантії.
3 Назвіть сучасні геодинамічні моделі будови мантії.
4 Який стан речовини мантії?
5 Який розподіл щільності, температур та
Тектонічні гіпотези в історії геології
Уява про механізм рухів і деформацій земної кори займала думки людей ще з античних часів, а, може, ще й раніше. Але взаємозв’язок тектонічних і магматичних процесів залишався не сві
Тектонічні рухи
Важливішим питанням геодинаміки є вивчення проявлень і механізмів тектонічної активності Землі. Які ж причини тектонічних рухів? Які джерела енергії спричиняють тектонічні процеси?
Теорія пограничних шарів при тепловій конвекції
Конвективні рухи в конденсованому середовищі, газі та плазмі широко розповсюджені в природі, техніці та побуті. Конвекція є складним гідродинамічним явищем. Зародження науки про кон
Питання для самоперевірки
1 Які геотектонічні гіпотези Ви знаєте?
2 Сучасна геотектонічна модель Землі.
3 Що стало головними положеннями при створенні теорії тектоніки плит?
4 Дайт
Границі літосфери
Земна кора разом з твердою частиною шару Гутенберга утворює єдиний жорсткий шар, який лежить на астеносфері, який називають літосферою. По суті, літосфера є своєрідною
Класифікація плит
Згідно з концепцією тектоніки плит, жорсткий поверхневий шар літосфери зазнає сильних деформацій і тільки вздовж відносно вузьких лінійних рухомих поясів. Ці рухомі пояси, які склад
Гіпотеза спредінгу і субдукції
Важливою ідеєю на шляху до тектоніки плит була гіпотеза спредінга – розсування океанічного дна вбоки від серединно-океанічних хребтів, які охоплюють усю земну кулю (Хесс, 1960 р.; Д
Основні положення концепції спредінгу ложа океанів
Основні положення цієї концепції зводяться до такого:
1. Земна кора і сама верхня частина мантії – це є пружна і відносно крихка верхня оболонка Землі – літосфера, яка підс
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери того чи іншого регіону земної кулі складається з двох етапів: океаногенезу і континентогенезу (рис. 2.19 а, б).
Перший етап под
Геодинамічні процеси, пов’язані з океаногенезом
Океаногенез характеризується дробленням і деструкцією раніше існуючої кори, переважно континентального типу, за рахунок процесів рифтогенезу і формування нової кори океанічного типу
Геодинамічні процеси, пов’язані з континентогенезом
Континентогенез характеризується зміщенням і нарощуванням товщини континентальної кори.
Епіокеанічна стадія відзначається формуванням і зростом гірськоскладчастих споруд (орогенна ф
Землетруси
В зонах підвищеної тектонічної активності напружений стан земної кори розвантажується у формі землетрусів. Під землетрусом прийнято розуміти коливання земної кори, які викликані рух
Розповсюдження землетрусів
Землетруси на земній кулі розповсюджені нерівномірно, основна їх маса концентрується в особливих зонах, які називаються сейсмічними поясами. Найбільш крупний з них Тихоокеанський се
Внутрішня структура і механізм дії вулканів
Сукупність всіх геологічних процесів, силою яких є магма, як відомо, називається магматизмом.
Магма (гр. – месиво, бруд) являє собою природний, найчастіше силікатний, вогня
Природа геодинамічних процесів та методи вивчення
Для платформних областей характерними є (порівняно з геосинклінальними областями) менші швидкості вертикальних і горизонтальних рухів, відсутність або слабка активність сучасних зем
Повзучість та її динаміка
Процес повзучості – це є поступове зміщення грунтів на схилах без розриву суцільності деформуючого геологічного тіла, яке відбувається під дією сили тяжіння і супутніх зовнішніх факторів: пе
Процеси зсуву та їх різновиди
Зсув, або зсувний процес – це є процес зміщення частини гірських порід (грунтів) під впливом перш за все сили тяжіння на більш низький гіпсометричний рівень при збереж
Гіпотези утворення Землі
Перерахуємо кілька сучасних успіхів геофізики. Палеомагнітні дослідження створили тверду основу для теорії континентального дрейфу, хоча ще зовсім недавно ця теорія була предметом п
Основні геотектонічні гіпотези
Геологічні та геофізичні дані свідчать про наявність суттєвих, принципових відмінностей в особливостях будови і розвитку земної кори (і літосфери в цілому) різних ділянок нашої план
Глибинні процеси землі та їх поверхневі прояви
Наприкінці 60-х років в основному склався теоретичний фундамент для розуміння явищ і процесів, пов’язаних з континентальним дрейфом. Останньою і найважливішою гіпотезою, яку висунул
Тектоніка плит
Згідно з теорією тектоніки плит, зовнішня оболонка Землі розділена на ряд жорстких плит, які рухаються одна відносно до іншої. Швидкості їх відносного руху за порядком величини скла
Тектоніка плюмів
Протягом двох десятиліть в геофізиці широко обговорюється питання: чи охоплює конвекція всю мантію, чи мантійний матеріал циркулює у верхньому і нижньому її шарах окремо, ніколи не
Роль континентів у динаміці Землі
Довгий час поширеною була думка, що рух плит визначається головним чином тепловою конвекцією в мантії. При цьому вважалося, що континенти пасивно дрейфують під дією в’язких течій і
Вертикальні рухи всередині континентів
Висхідні потоки речовини мантії сильно розтягують континентальну літосферу, але часом не в змозі розірвати її. В даному випадку над висхідним мантійним плюмом утворюються впадини, я
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні теорії та гіпотези утворення і еволюції Землі.
2 Які гіпотези та відкриття вчених стали основою для створення теорії тектоніки плит?
3 Які геолог
Механізм дії зсувів
Геодинаміка зсувного процесу перш за все визначається структурно-тектонічними умовами і літолого-петрографічними характеристиками геологічних тіл, які деформуються. Тому існує різниця між зсувами у
Механізм дії завалів та осипів
Завали, або завальний процес – це обрушення частини гірських порід масиву з короткочасним їх відривом при падінні від нерухомої основи. Вони часто відбуваються разом із зсувами.
Карстові і суфозійні процеси
Карстові і суфозійні процеси пов’язані з діяльністю підземних вод. Вони проявляються у розчинності грунтів або у вигляді цементаціних зв’язків між їх частками, в механічному переміщ
Питання для самоперевірки
1 Які особливості ендогенних геодинамічних процесів?
2 Що розуміють під терміном процес повзучості?
3 Як поділяються зсувні процеси по місцю прояву?
4 Поясніть механізм д
Перелік Використаних джерел
1 Куровець М.І., Гунька Н.Н. Основи геології/ Підручник для вузів. - Львів, 1997.– 694с.
2 Гунька Н.Н., Куровець М.І. Загальна геологія/ Підручник для вузів. - Івано-Франкі
Сейсмологічна модель Землі
Сильний землетрус породжує об'ємні хвилі, які пронизують тіло планети, як би освітлюючи його зсередини. Подібно променю світла сейсмічний промінь підкоряється законам оптичної оптик
Таблиця А.2 - Хімічний склад Землі
Хімічний
елемент
Вміст у вагових відсотках
Хімічний
елемент
Вміст у вагових відсотках
За
Сейсмічна модель будови Землі
Широко відома модель внутрішньої будови Землі (розподіл її на ядро, мантію і земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джеффрисом і Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вир
Методи геодинамічних досліджень
Геотермічна розвідка (терморозвідка) об’єднує фізичні методи дослідження природного теплового поля Землі з метою вивчення ландшафтів, термічного режиму земної кори і верхньої мантії
Теплового поля Землі
Джерелами теплового поля Землі є процеси, що протікають в її надрах, і теплова енергія Сонця. До внутрішніх джерел тепло відносить радіогенне тепло, яке створюється завдяки розпаду
В земній корі
Нижче за нейтральний шар температура порід підвищується в середньому на 30 0С при зануренні на кожні 100 м. Це пояснюється наявністю регіонального теплового потоку від дж
Локальний тепловий потік
Джерела локальних теплових потоків, що викликають аномалії температур, різноманітні: наявність багаторічно мерзлих порід, тобто могутніх (до сотень метрів) товщ з негативними темпер
Регіональні термічні дослідження
Сутність регіональних термічних досліджень зводиться до високоточного (погрішність не більше 0,01 0С) неодноразовому вимірюванню температур або їх приростів в глибоких св
Новости и инфо для студентов