ВОЛНОВАЯ (КВАНТОВАЯ) ТЕКТОНИКА

Пульсации

Пульсации - дыхание планеты

В космическом пространстве бытия.

Она живет и, мчась в пространстве где-то,

Уносит нас в далекие края.

В такую даль, что и представить сложно,

Но это так! Нам крупно повезло.

В сравненьи с ней мы так малы ничтожно,

Но, знаем мы, всему виной число.

Зато у нас есть что-то, что имеет

Такую силу и такой объем,

Что не Земля - Вселенная немеет,

Когда о ней мы что-то узнаем!

                                                                ВОЛНОВАЯ (КВАНТОВАЯ) ТЕКТОНИКА

А.В. Викулин

 Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН

683006, Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, vik@kcs.iks.ru

ВРАЩЕНИЕ, УПРУГОСТЬ И ГЕОДИНАМИКА

          Аннотация.

            В работе описаны постановка и решение задачи о поле упругих напряжений, возникающих вокруг блоков земной коры, поворачивающихся за счет внутренних источников. Рассмотрен широкий спектр геофизических следствий такой постановки задачи. Тем самым заложены основы вихревой геодинамики.

          Введение.   

В настоящем сборнике (и в статьях, и в обширных библиографиях к ним) приведено большое количество примеров вращательного и вихревого движений вещества, не зависимо от его физического состояния в пределах гигантского по размерам пространственно-временного масштаба. Такого рода движения в «предельных» по масштабу галактиках, с одной стороны, и элементарных частиц – с другой, а также циклоны в атмосферах планет солнечной системы и «закольцованные» течения в мировом океане Земли широко известны и общепризнанны. Вихревые и кольцевые движения в твердой литосфере – менее известны даже достаточно узкому классу специалистов. Например, происхождение структуры Ришат (пустыня Сахара, Мавритания) с размерами почти 50 км (рис. 1) до сих пор остается загадкой (Landstat, 2003). Не менее загадочной

            является вихревая структура на территории Соловьевского свода в Верхнем Приамурье и структура «Спираль» в районе о. Ольхон на о. Байкал (см. Введение к сборнику, А.В. Викулин, рис. 4 и 5 соответственно). Тем не менее, такие движения являются достаточно распространенными в литосфере Земли. Они проявляются: 1) В течение геологических эпох (например, докембрия (Слезнак, 1972), протерозоя (Берсенев, 1964) и фанерозоя (Kawasewich, 1978)); 2) По данным о минерагении (Байков, 2004; Тишкин, Мясников, 2004); 3) По особенностям распределения ультрамафитов (Аносов, Колосков, Флеров, 2004); 4) В гидротермальных системах (Мясников, Делемень, 2004); 5) В глобальных структурах коры (Алискеров, 2004) и 6) Определяют тем самым геодинамику как вулканизма (Аносов, Колосков, Флеров, 2004), так и тектонических перестроек литосферы всей земной коры (Тверитинов, Тверитинова, 2004; Тверитинова, 2004). Черты закономерностей упорядоченности земной коры и более глубоких оболочек планеты разного ранга и порядка обнаруживаются от глобальных до локальных масштабов, проявляясь в виде симметрий, антисимметрий и подобий. Аналогичный феномен установлен для всех «твердотельных» планет земной группы (Шолпо, 2001).

            Как видим, структурная организация вещества имеет место, во-первых, в пределах многих десятков порядков масштабов и, во-вторых, не зависит от его физического состояния. Общим же свойством такой организации материи является вид движения слагающего ее вещества – вихревой (вращательный). Каждому вихрю вещества соответствует вполне определенный момент. В силу однородности пространства и времени и в соответствии с законом сохранения момента количества движения каждый (достаточно малый по сравнению с размером Вселенной, но достаточно большой по сравнению с размером галактики) объем материи  должен иметь определенный момент количества движения, характеризующийся функцией распределения числа вихрей по их размерам.

            Таким образом, общая проблема вихревого (моментного) движения материи имеет прямое отношение, к упорядоченной или структурной организации вещества, в том числе, и вещества, слагающего «твердотельные» литосферы планет солнечной системы. И такая организация литосферы должна характеризоваться вполне определенной плотностью момента количества движения.

             К аналогичному выводу можно прийти и другим путем. Действительно, комплексными геофизическими данными обоснована концепция блоковой геофизической среды (Садовский, 1979; Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1987), для которой в достаточно большом количестве случаев установлен поворотный (колебательный) характер слагающих ее блоков (Рикитаке, 1970; Геологическая,…1989;  Nur, Ron,  Scotti, 1986; Geist, Childs, Scholl, 1988; Daly, 1989) и плит (Давыдов, Долгих, Запольский, Копвиллем, 1988; Сато, 1984; Hashimoto, Tada, 1988), включая и самое большое на Земле образование – тихоокеанскую плиту (Маслов, 1996; Берсенев, 1964; Jackson, Shaw, Bargar, 1975; Takeuchi, 1986). Показано, что результатом взаимодействия блоков и плит являются тектонические волны (Elsasser, 1969; Лобковский, 1988; Викулин, 2000 б), которые имеют солитонную (Николаевский, 1996; Невский, Морозова, Фьюз, 1989) и, как следствие, «корпускулярную» (Гапонов-Грехов, Рабинович, 1979; Хаврошкин, 1999) природу. Прямым следствием такой структурной организации геофизической среды является основной закон сейсмологии – закон повторяемости землетрясений (Рихтер, 1963; Садовский, Писаренко, 1991), определяющий функцию распределения числа землетрясений по их энергии или магнитуде, которая имеет моментную природу, и значение которой ограничено сверху (Kanamori, 1977). Интересно, что и землетрясения обладают «корпускулярными» или «квантовыми» свойствами (Левый, 2000; Поплавский, Соловьев, 2000; Викулин, 2000 а; Anghel, Lomnitz, 1982; Quatification…, 1978).

На особую, определяющую роль    вращения вообще и ротационных сил в частности, в геофизических и геологических процессах указывалось многими ведущими учеными (Воронов, 1993). В частности, астроном Н.Н. Павлов в свое время показал, что величина скачкообразных сезонных изменений угловой скорости Земли достигает 0,0004 сек, при этом может выделяться энергия, порядка 1027 эрг. Отметим, что суммарная энергия всех землетрясений Земли за год на несколько порядков меньше: 1024 эрг (Рихтер, 1963). Крупнейшим русским геологом Д.И. Мушкетовым (1935) еще в 30-х гг. прошлого века отмечалось, что «изменения скорости вращения Земли…несомненно были реализованы в различные эпохи», «несостоятельность большинства тектонических гипотез…вызывает все большее стремление искать объяснение закономерностей развития Земли в космических факторах». А Шейдеггер (1987) приводит данные Надаи [1952 г.] и Кнопоффа, Лидса [1972 г.] о том, что силы приливного трения «могут определить собой постулируемый дрейф» (континентов) и «вращающий момент, возникающий при замедлении вращения Земли, в приложении к крупным регионам тектоносферы может быть более чем достаточным для обеспечения сил, двигающих плиты».

            Таким образом, фактически сформулирован вывод о существовании между структурной организацией твердой литосферы планеты с одной стороны, и вращательными движениями слагающих ее блоков и плит - с другой, взаимосвязи, которая должна отражаться, в том числе, и в закономерностях сейсмического процесса.

Следует отметить, что для описания перечисленных выше геофизических явлений требуется построение существенно нелинейных физических моделей (Николаев, 1987; Николаевский, 1996; Хаврошкин, 1999; Курленя, Опарин, 2000). Основным физическим фактором, на общегеологическом уровне приводящим к определяющей роли нелинейных явлений в геофизических процессах, являются огромные энергии, выделяющиеся в пределах больших пространственных масштабов, включая планетарный, в течение продолжительных временных интервалов - до первых миллиардов лет (Кузнецов, 1993).

            Постановка задачи. Оказывается, что движение некоторых из примитивных живых существ связано с их «умением» управлять трением. Действительно, змеи, черви и моллюски движутся за счет образования дислокаций. Движение дождевого червя начинается с образования «растягивающей» дислокации вблизи шейки, тогда как движение большинства змей осуществляется путем образования «сжимающих» дислокаций у хвоста и их перемещения по направлению к голове. По сути, такой механизм управления трением оказалось возможным использовать в ряде технических приложений (Ивасышин, 2003).

Механизм управления трением живыми организмами, очевидно, был «унаследован» из «неживой» природы. Например, для обеспечения режима потенциального движения планет реализуется такой режим их вращения, при котором вязкость межпланетной среды является величиной не постоянной и зависит от расстояния до Солнца (Латкин, 2004). «Имеет место эффект уменьшения трения при увеличении скорости потока в канале и отрицательное сопротивление (т. е. засасывание в канал) после превышения некой критической скорости;   при этом в некоторых случаях струя стремится прийти во вращение даже без помощи кориолисовых сил» (Потапов, Фоминский, Потапов, 2000). Механизм транспортировки магмы в виде «вулканического торнадо» предложен в работе (Аносов, Колосков, Флеров, 2004). Список таких явлений можно продолжить (см., например, Введение к сборнику).

Как видим, когда Природе требуется неким оптимальным образом реализовать то или иное движение, она всегда находит способ это сделать. И часто, как уже отмечалось выше, такое «оптимальное» решение она реализует именно в виде вихревых (кольцевых) движений (дислокаций), включая и необъяснимые в настоящее время вихревые движения в пределах «твердой» части литосферы.

Вращательное движение, которое реализуется в природе, в отличие от поступательного, всегда абсолютно, доказательством чего являются возникающие при нем центробежные силы, которые неустранимы никаким преобразованием координат. В работе (Фоминский, 1998) делается вывод о том, что, во-первых, всякое движение должно сопровождаться вращением и, во-вторых, вращение является неотъемлемым свойством материи. И такой вывод подтверждается данными, приведенными во Введении к сборнику - все тела вращаются: от элементарных частиц до галактик, их скоплений и, как следует из работы (Комаров, Пановкин, 1984), всей Вселенной в целом.

А.  Эйнштейн в 1916 г. связал гравитацию с кривизной пространства-времени. В начале 20-х годов прошлого века французский математик Э. Кардан предположил, что может существовать взаимосвязь некоторых физических величин и с другим геометрическим понятием – кручением (Cartan, Schouten,1926).

Таким образом, можно предположить, что торсионные поля (поля кручения: от французского торсион – кручение) являются своеобразным механизмом, с помощью которого Природа, когда ей надо, «управляет» теми или иными процессами, в том числе вязкостью и трением. Выяснение сути механизма такого «управления», очевидно, должно являться одной их основных задач нового направления в тектонике и геодинамике «Вихревая геодинамика». В настоящее же время, по аналогии с понятием эфира, сыгравшим и продолжающим играть свою положительную роль в развитии и становлении некоторых важных физических идей, можно считать, что вращение того или иного объема вещества происходит за счет внутренних источников.

«В случае, когда мы, например, рассматриваем не планетарную систему или электроны в атоме, а вращающийся диск, то вместо сил гравитации или кулоновских сил притяжения должны учитывать возникающие силы упругости…, описываемые законом Гука» (Потапов, Фоминский, Потапов, 2000). Как видим, задачу о поле упругих напряжений, возникающих в твердом теле в результате поворота какого-либо его макрообъема, в свете выше сказанного, представляет определенный интерес рассмотреть в предположении, что такой поворот осуществляется за счет внутренних источников макрообъема, образом которого в геофизических процессах, очевидно, будет блок (очаг землетрясения) и/или плита.

Решение задачи.

Задача решалась в три этапа (Викулин, 2003).

1. Задача для случая шарового радиуса R0 блока (макрообъема), упруго сцепленного с окружающей его средой (матрицей), решена аналитически (Викулин, Иванчин, 1998). Решалось уравнение упругого равновесия   с нулевыми граничными условиями на бесконечности:  ,  , с действующей на блок силой, равной нулю: Fi =   = 0, и моментом силы, не зависимым от размера блока: Кi = , где U – смещение, а=(1-2 n ) / 2(1- n ),  n - коэффициент Пуассона, R0 - радиус блока. При этом полагалось, что во вращающемся теле изменение момента «внутреннего» количества движения блока при его повороте компенсируется моментом силы возникающего вокруг блока упругого поля. В результате выражение для энергии упругого поля получено в виде:

  ,                (1)

где r = 3г/см3 - плотность породы, W = 7,3Ч10-5 рад/сек - угловая скорость вращения Земли, b - угол поворота, на который поворачивается блок в процессе подготовки к землетрясению. Появление в (1) сомножителя sinb/2 является тривиальным следствием теоремы косинусов при преобразовании систем координат в неинерциальных системах отсчета. Для случая, когда блок является очагом сильнейшего (М » 8) землетрясения, очаг которого имеет размеры порядка R0 » 100 км, величина угла поворота блока составит b ~ U/R0 » 10-2 град. Здесь U ~ 10 м – порядок амплитуды смещения при таких землетрясениях. Для модели двух блоков с размерами R1 и R2, центры тяжести которых находятся на расстоянии r  друг от друга, была определена энергия их упругого взаимодействия:

  ,               (2)

где f - угол между моментами сил упругих полей вокруг каждого из блоков. Отношение энергии взаимодействия Wint к «собственной» энергии блока W на основании соотношений (1) и (2) в случае равновеликих по размеру блоков R1 » R2 » R0 определяется равенством:  . Можно видеть, что максимальное (cosf = 1) расстояние, на котором энергия взаимодействия по порядку величины все еще близка собственной энергии блока (d = 1), определяется из соотношения:  . Из полученного соотношения видно, что упругие поля, создаваемые вокруг поворачивающихся блоков вращающегося тела, являются дальнодействующими. Такое свойство ротационного упругого поля позволило перейти к рассмотрению цепочки блоков.

2. Феноменологически задача об упругом поле, возникающем вокруг цепочки равномерно поворачивающихся равновеликих шаровой формы блоков, сведена к решению нелинейного одномерного уравнения sin-Гордона (СГ): , где  ,  ,   - безразмерные координаты,   - координата вдоль цепочки,   - время,   и   - константы, по сути, характерная скорость и волновое число процесса, значения которых определяются параметрами модели.

Солитонное решение уравнения СГ хорошо известно: энергия солитонов монотонно увеличивается от нуля при скорости солитонов, равной нулю, до максимального значения при наибольшем значении их скорости, равной  .

            В длинной цепочке блоков, когда можно не учитывать влияния  ее концов, уравнение СГ имеет решения, получившие название экситонов (Давыдов, 1976, 1982). Такое решение имеет следующие особенности (Филиппов, 1990). Во-первых, существует «нулевое» решение, которое отвечает движению всей цепочки блоков, как целой, без ее деформации. Во-вторых, нелинейные свойства решения связаны не с дискретной структурой цепочки, а с ее нелинейными свойствами, т. е. в нашей задаче - с нелинейными свойствами среды. Аналогом такой цепочки блоков может являться сейсмический пояс, протяженность которого много больше его «ширины».

            Для квазилинейного приближения – линеаризованного уравнения СГ, когда длину волны экситона по аналогии с обычными упругими волнами можно принять равной размеру поворачивающегося блока, для значения характерной скорости сейсмотектонического процесса получаем выражение:  , где  и   - центробежная скорость и скорость звука в среде соответственно. Из полученного соотношения видно, что характерная скорость сейсмотектонического процесса   в рамках предложенной модели (Викулин, 2003; Викулин, Иванчин, 1998) определяется величиной угловой скорости вращения Земли. Отсюда и название модели, данное ей авторами - ротационная. Подставляя модельные параметры, значения которых приведены выше, получим:   ≈ 1 см/сек.                  

В рамках ротационного подхода оказалось возможным описать весь спектр наблюдаемых значений скоростей миграции тихоокеанских землетрясений (рис. 2) как функции сбрасываемой в их очагах упругой энергии (Викулин, 2001). Миграция землетрясений вдоль сейсмического пояса (глобальная миграция) соответствует солитонному решению модельного уравнения СГ и максимальное значение «солитонной» глобальной скорости миграции (при магнитуде  ) оказалось равным V0 ≈  . Миграция землетрясений в пределах очагов землетрясений (фор-афтершоковая, локальная миграция) описывается экситонной ветвью решения модельного уравнения СГ (рис. 2) и «нулевое» решение соответствует нутации полюса планеты – колебанию Чандлера (Викулин, Кролевец, 2001). Как видим, в рамках ротационной модели оказывается возможным описать достаточно широкий спектр планетарных геофизических явлений, что указывает на правильность основного допущения модели – поворот блока за счет внутренних источников. 

Оказалось, что предельное (при магнитуде  ) значение  скорости для экситонного решения модельного уравнения СГ близко скорости поперечной сейсмической волны (рис. 2). Это позволяет в рамках ротационной модели искать решения, описывающие процессы, протекающие в очагах землетрясений.

3. Учет трения и неравномерности поворота блоков в цепочке (Викулин, Быков, Лунева, 2000) позволило уравнение движения блоков в цепочке записать в виде возмущенного уравнения СГ (ВСГ):  , где a - коэффициент трения, m - параметр, характеризующий вынуждающую силу, вызывающую неоднородное вращение блока, d(x) - дельта функция. Решения для расстояния Х, пройденного волной, величины ее скорости V и величины угловой скорости поворота блока (скорости деформации)   при значениях параметров a » 0,1 - 1 и m » 10-4 - 10-2, близких для реальных разломов, как функции времени приведены на рис. 3.

Численное исследование позволило установить существование интегралов движения (Викулин, 2003), из которых следует, что, во-первых, решения уравнения ВСГ, по сути, описывают явление, соответствующее процессу захвата волны блоком: Хасимпт   R0 (рис. 3), т. е. процессу взаимодействия сейсмофокального блока с тектонической волной. Такой процесс взаимодействия содержит три характерные фазы: форшоковую (первый максимум  ) и афтершоковую (второй максимум  ) стадии сейсмического процесса и главный толчок между ними (максимум V, минимум  ). Во-вторых, тектоническая волна имеет поляризацию кручения. Теоретическое модельное выражение для момента волны и его численная оценка через параметры модели (Викулин, 2003) совпадают и с общепринятым (в рамках существующих моделей очага землетрясения) выражением и с численным значением для сейсмического момента сильнейшего землетрясения (Касахара, 1985). В-третьих, взаимодействие блока и волны на стадии форшоков приводит к повороту упругого поля относительно неподвижного блока на (критический) угол, при котором при сжатии образцов в лабораторных условиях происходит образование поверхности сдвигового разрушения: jкр ≈ 400 - 450. Поэтому аналогом плоского разрыва в ротационной волновой модели является дисклинация – кольцевая дислокация. В-четвертых, предельное экситонное решение, соответствующее линеаризованному уравнению ВСГ, близко обычной волне, скорость и длина которой равны скорости поперечной сейсмической волны и протяженности сейсмофокального блока

Вывод о возможности  существования тектонических солитонной природы возмущений крутильной поляризации, распространяющихся, как и в ротационной модели, вдоль окраины Тихого океана (рис. 4), с позиций общепланетарной энергоструктуры Земли был сформулирован в работе (Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993).

Из физики твердого тела известно, что солитон при достаточно большой его энергии распадается на дислокацию и экситон (Давыдов, 1982). Другими словами, в рамках ротационной волновой модели сильнейшее землетрясение (образование дисклинации) и афтершоковые (экситонные) движения в его очаге определяются условиями распада тектонической (уединенной) волны кручения при ее взаимодействии с соответствующим сейсмофокальным блоком. Как видим, основная задача механики очага землетрясения в традиционной ее постановке: исследование процесса возбуждения упругих волн при землетрясениях - является частью более общей сейсмотектонической задачи. Такая задача должна «уметь» описывать упругие поля совокупности взаимодействующих очагов – блоков аналогично тому, как это делается, например, в рамках развиваемого ротационного волнового подхода. При этом одно из основных отличий ротационной механики очага землетрясения от общепринятой, основанной на принципе отдачи Рейда, заключается в другой геометрии образующегося при землетрясении разрыва - дисклинация (кольцевая дислокация) вместо плоскости.

Следствия.

1. Квантовая сейсмотектоника. Сейсмотектонический планетарный по масштабу процесс имеет «квантовую» составляющую, достаточно отчетливо проявляющуюся на «нулевой» частоте в виде чередующихся с определенным шагом «сгущений» и «разряжений» траекторий движения полюса при нутации Земли (Викулин, 2000 а; Викулин, Кролевец, 2001). Аналогичные, по сути, «квантовые» выводы были получены и другими исследователями (Левый, 2000; Поплавский, Соловьев, 2000; Викулин, 2000 а; Anghel, Lomnitz, 1982; Quatification…, 1978). Например, в работе (Поплавский, Соловьев, 2000) показано, что описание сейсмического процесса получится более полным, если принять гипотезу о существовании в твердой Земле подвижных макросейсмических дефектов – сейсмонов, ответственных за подготовку и реализацию землетрясений и сейсмического процесса в целом. Введение такой гипотезы напрямую связано с неоднородным (блоковым) строением геофизической среды и вращением Земли.

Идея о «корпускулярных» или «квантовых» свойствах сейсмотектонического процесса обсуждается достаточно давно. Она насчитывает, как минимум, уже почти полувековую историю (Ризниченко, 1985). И появление такой гипотезы вполне очевидно: на фоне в геологическом смысле непрерывного тектонического процесса имеет место выделение упругой энергии в виде кратковременных сейсмических импульсов - землетрясений, в физическом смысле – «квантов». Именно по этой причине в последние годы разрабатываются концепции квантовой тектоники  (Тишкин, 1994; Тишкин, Абрамов, 2002) и даже релятивистской геодинамики (Веселов, 2002), в основе которых заложены «представления о дискретности и непрерывности развития геологического процесса» (Тишкин, 1994).

Фундамент под квантовую сейсмотектонику (Викулин, 2003) был подведен работами многих исследователей, начиная с классических работ конца 60х–начала 70х гг. прошлого века (Elsasser, 1969; Savage, 1971). В этой связи особенно следует отметить работы А.В.Николаева, В.Н.Николаевского и М.В. Курлени с сотрудниками (Николаев, 1987; Николаевский, 1996; Хаврошкин, 1999; Курленя, Опарин, 2000), в которых, фактически,  были заложены физические основы новых направлений: «нелинейная сейсмика», «механика уединенных тектонических волн» и «нелинейная геомеханика».

2. Термодинамика землетрясений. Физический смысл волновых решений, полученных в рамках ротационной волновой модели сейсмического процесса с помощью уравнения СГ, был продемонстрирован приведенными выше примерами. Одномерное уравнение СГ, как известно, относится к классу интегрируемых уравнений, для которых в явном виде существует и функция Лагранжа и интегралы (законы) сохранения. Тогда из теоремы вириала Еint = 2Eкин следует, что энергия взаимосвязи всей цепочки блоков (Еint) равна удвоенной кинетической энергии Екин системы.

В качестве кинетической энергии системы, очевидно, можно рассматривать энергию сейсмических волн, уносящих упругую (накапливаемую в течение сейсмического цикла) энергию из очагов землетрясений. Тогда для модели двух блоков величина сейсмической энергии сильнейшего землетрясения в соответствии с теоремой вириала должна быть равна половине энергии Еint  = Wint, определяемой из (2). В реальности, модель двух блоков близка случаю «двойных» толчков типа Большого Камчатского землетрясения 1952 г. с М = 8,5, очаг которого был представлен двумя афтершоковыми протяженностью 200-250 км каждая областями, отстоящими друг от друга на расстоянии 150 - 200 км (Викулин, Чернобай, 1986). Известные по опубликованным данным примеры землетрясений-мультиплетов собраны в (Викулин, 2001). На основании этих данных и данных работ (Викулин, 2003; Викулин, Чернобай, 1986), полагая R1 » R2 = R0 » 100 км, r » 4R0, f = p из (2) для величины сейсмической энергии получим значение Еint  = Е » 1017-18 Дж, которое, как известно, по порядку величины близко инструментально регистрируемым значениям сейсмических энергий при сильнейших землетрясениях.

Отметим, что определенная таким образом сейсмическая энергия оказывается не зависящей от упругого модуля сдвига среды G:

  .     (3)

С точностью до численного множителя полученное выражение совпадает с выражением (1) для величины энергии упругого поля вокруг поворачивающегося блока. Следовательно, модели очагов землетрясений, основанные на принципе упругой отдачи Рейда, который, по сути, является «близкодействующим», могут рассматриваться как частный случай  ротационной модели, в которой взаимодействие между очагами землетрясений стремится к нулю.

Возможность «модельного» определения величины упругой энергии землетрясения, ее «квантовая» природа (см. выше) позволяют в рамках ротационной волновой модели наметить пути построения физической статистики землетрясений. В основу таких построений, как следует из данных этой статьи и других статей настоящего сборника, должна быть положена определяющая роль ротационных эффектов не только во вращающихся твердых телах, имеющих блоковое строение (Викулин, Иванчин, 2002 а, б), но и в природных явлениях вообще (см. введение к настоящему сборнику).

Согласно данным работы (Потапов, Фоминский, Потапов, 2000) идеалогия построения основ физической статистики землетрясений могла бы быть следующей. Взаимодействие тектонической волны с блоком геофизической среды, как показано в настоящей работе и других работах автора, приводит к перераспределению напряжений в окружающем его (блок) пространстве. Такой процесс, как известно, приводит к слиянию микротрещин в более крупные трещины, которые в момент землетрясения и образуют дислокацию (Соболев, 1993). В результате землетрясения напряжения в среде вокруг блока снимаются, что приводит к восстановлению прежних (на уровне микротрещин) связей в среде и, как следствие, к повышению ее температуры в области очага происшедшего землетрясения. Как видим, в рамках ротационной модели землетрясение может быть представлено как своего рода тепловая машина, способная перекачивать внутреннюю энергию среды (Потапов, Фоминский, Потапов, 2000) (в том числе, по-видимому, и ротационную энергию вращения планеты (Викулин, 2003; Викулин, Кролевец, 2001))  в напряжения, энергия которых перераспределяется упругими волнами.

3. Ротация и тектоника. Проблема вращательных движений в тектонике не нова (Ли Сы-гуан, 1958; Elsasser, 1969; Слезнак, 1972; Мелекесцев, 1979; Кулаков, 1986; Hashimoto, Tada, 1988; Кац, Козлов, Полетаев, Сулиди-Кондратьев, 1989; Николаевский, 1996). По мнению В.Е. Хаина (2002): «вопрос о роли ротационного фактора в геодинамике, т. е. роли осевого вращения Земли и изменений его скорости», остававшийся «за рамками тектоники плит, ныне» начинает «привлекать внимание, но еще» далек «от полного освещения». При этом «вихревые тектонические движения … должны оставлять следы в виде кольцевых структур» (Дубровский, Сергеев, 2002).

В свете ротационного подхода плиты, как и поворачивающиеся «элементарные» сейсмофокальные блоки, вследствие вращения Земли должны быть окружены  полями упругих напряжений, имеющих соответствующим образом ориентированные моменты сил (Викулин, 2003; Викулин, Иванчин, 2002 а). С физической точки зрения постановка такой задачи вполне закономерна. И данные геодинамических и геодезических измерений, указывающих на поворотный (колебательный) характер движения плит (Давыдов, Долгих, Запольский, Копвиллем, 1988; Сато, 1984; Hashimoto, Tada, 1988), включая и самую большую – тихоокеанскую плиту (Маслов, 1996; Берсенев, 1964; Jackson, Shaw, Bargar, 1975; Takeuchi, 1986) и австралийский континент (Викулин, 1994), подтверждают это.

4. Геомеханика. Анализ естественных напряжений, выполненный по результатам измерений в рудниках на территории северной Евразии (Геодинамика…, 1999; Леонтьев, 2003), показал, что весь массив коры обладая определенной структурой в каждый момент самоорганизуется, уходит от ситуаций с накоплением энергии за счет перестройки структуры и только исчерпав эти возможности резко перестраивается и организует новую структуру, в «одежде» которой ему будет «легче жить» (Леонтьев, 2001). Описание такой перестройки осуществляется, в том числе и с помощью маятниковых волн (Курленя, Опарин, 2000), являющихся, по сути, тектонической природы солитонами, параметры которых, как и описанных выше возмущений волнового характера, должны определяться размерами блоков (плит), их упругими модулями и плотностью, и угловой скоростью планеты.

5. Ротация и прогноз напряженного состояния геофизической среды. Описанные выше результаты позволяют подойти к проблеме прогноза землетрясений с других позиций (Викулин, 2003).

            В рамках волновой ротационной модели аналитическими методами выявлена особенность, отвечающая неустойчивому характеру движения сейсмофокальных блоков при их взаимодействии с тектоническими волнами. Согласно данным лабораторных исследований, по сути, такую же неустойчивость должно иметь поле напряжений в очаге землетрясения во временной окрестности главного толчка, включающей его форшоковую и афтершоковую стадии. Другими словами, существование возможности количественного описания фор-афтершоковой стадии сейсмического цикла численными методами, в принципе, позволяет построить такую теорию прогноза землетрясений, включающую указание и времен толчков, и мест расположения их очагов, которая, по сути, является в большей степени детерминированной, чем статистической. Как видим, ротационная волновая модель сейсмического процесса открывает новые пути решения проблемы прогноза землетрясений. Для ее решения «центр тяжести» исследований физики процесса необходимо в дальнейшем переносить с очага отдельно взятого землетрясения на совокупность очагов.

Описание напряженного состояния среды в районах и рудников, и сейсмических регионов имеет много общих черт, физика и математическое описание которых, по сути, едины. Это позволяет предположить, что объединение ротационно-волнового сейсмо-тектонического (Викулин, 2003; Николаевский, 1996) и геомеханического (Курленя, Опарин, 2000; Геодинамика…, 1999; Леонтьев, 2001) способов описания процесса позволит приблизить нас к построению детерминированной теории прогноза напряженного состояния геофизической среды.

                Заключение.

Идея поворота блока земной коры за счет внутренних источников, как видим, оказалась достаточно плодотворной. В рамках построенной на ее основе модели оказалось возможным дать количественное описание широкого спектра геофизических явлений и наметить пути решения некоторых из задач геомеханики, тектоники и геологии. Тем самым, как представляется, заложены основы нового направления в геофизике, которое можно назвать вихревой динамикой литосферы. В рамках такой концепции «элементарными» возбуждениями, т. е. источниками вращения блоков, плит и других образований, может являться, например, инерционное поле вакуума, имеющее и квантовые, и солитонные, и «крутильные» свойства (Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993).

ЛИТЕРАТУРА

1.      Алискеров А.А. 2004 (см. настоящий сборник).

2.      Аносов Г.И., Колосков А.В., Флоров Г.Б. 2004 (см. настоящий сборник).

3.      Байков А.И. 2004 (см. настоящий сборник).

4.      Берсенев И.И. Осевое вращение Земли как одна из причин геотектогенеза // Строение и развитие земной коры. М.: Наука. 1964. С. 194 – 200.

5.      Веселов К.Е. Физическая гравидинамика и релятивистская геодинамика // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания. Т. I. М.: ГЕОС. 2002. С. 99 – 100.

6.      Викулин А.В. О природе австралийских землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1994. №2. С. 99 – 108.

7.      Викулин А.В. Квант сейсмотектонической активности // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатский: КОМСП ГС РАН. 2000 а. С.220-234.

8.      Викулин А.В. Землетрясение как результат взаимодействия тектонической волны с сейсмофокальным блоком // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Петропавловск- Камчатский: КОМСП ГС РАН. 2000 б. С.243-254.

9.      Викулин А.В. Миграция и осцилляции сейсмической активности и волновые движения земной коры // Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН. 2001. С. 205 – 224.

10.  Викулин А.В., Быков В.Г., Лунева М.Н. Нелинейные волны деформации в ротационной  модели сейсмического процесса // Вычислительные технологии. 2000. Т.5. № 1. С.31-39.

11.  Викулин А.В., Иванчин А.Г. Ротационная модель сейсмического процесса // Тихоокеанская геология. 1998. Т.17. № 6. С.95-103.

12.  Викулин А.В., Иванчин А.Г. Уединенные тектонические волны поворотной деформации как результат вращения планеты // Геофизический журнал. 2002 а. № 4. Т. 24. С. 90 – 101.

13.  Викулин А.В., Иванчин А.Г. Ротация и упругость // Вопросы материаловедения. 2002 б. № 1 (29). С. 435 – 441.

14.  Викулин А.В., Кролевец А.Н. Чандлеровское колебание полюса и сейсмотектонический процесс // Геология и геофизика. 2001. № 6. С.996-1009.

15.  Викулин А.В., Чернобай И.П. Механизм очага Урупского (1963 г.) и Большого Камчатского (1952 г.) землетрясений // Динамические процессы в дискретных  геофизических системах. Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР. 1986 а. С.58-66.

16.  Воронов П.С. Роль ротационных сил Земли в истории становления структуры ее литосферы. // Эволюция геологических процессов в истории Земли. М.: Наука. 1993. С. 104 – 114.

17.  Галкин И.Н. Геофизика Луны. М.: Наука. 1978. 176 с.

18.  Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И. Л.И.Мандельштам и современная теория нелинейных колебаний и волн // Успехи физ. наук. 1979. Т.128. Вып.4. С.579-624.

19.  Геологическая история территории СССР и тектоника плит (ред. Л.П.Зоненшайн, Е.И. Приставакина). М.: Наука. 1989. 206 с.

20.  Геодинамика и напряженное состояние недр Земли (Труды международной конференции 4-7 октября 1999). – Новосибирск: ИГД СО РАН, 1999.

21.  Давыдов А.В., Долгих Г.И., Запольский А.М., Корвиллем У.С. Регистрация собственных  колебаний геоблоков с помощью лазерных деформографов // Тихоокеанская геология. 1988. № 2. С.117-118.

22.  Давыдов А.С. Теория твердого тела. М.: Наука. 1976. 640 с.

23.  Давыдов А.С. Солитоны в квазиодномерных молекулярных структурах // Успехи физических наук. 1982. Т.138. Вып.4. С.603-643.

24.  Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М.: Наука. 1993. 156 с.

25.  Дубровский В.А., Сергеев В.Н. Законы сохранения и тектоника // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания. Т. I. М.: ГЕОС. 2002. С. 181 – 185.

26.  Ивасышин Г.С. Управление трением на основе закономерностей аддитивности упругого последствия // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения. Труды V Международной конференции, 14-17 окт. 2003. СПб. СПб: Из-во СПбГПУ. 2003. С. 201 – 202.

27.  Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир. 1985. 264 с.

28.  Кац Я.Г., Козлов В.В., Полетаев А.И., Сулиди-Кондратьев Е.Д. Кольцевые структуры Земли: миф или реальность. М.: Наука. 1989. 190 с.

29.  Комаров В.И., Пановкин Б.Н. Занимательная астрофизика. М.: Наука. 1984.

30.  Кузнецов О.Л. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере и эволюция геологических процессов // Эволюция геологических процессов в истории Земли. М.: Наука. 1993. С.63 – 81.

31.  Кулаков А.П. Морфоструктуры Востока Азии. М.: Наука. 1986. 176 с.

32.  Курленя М.В., Опарин В.Н. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. II // ФТПРПИ. – 2000. - №4.

33.  Латкин А.С. 2004 (см. настоящий сборник).

34.  Левый Н.В. Некоторые вопросы теории распределения землетрясений по энергии // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатсикй. 2000. С. 212-219.

35.  Леонтьев А.В. Анализ естественных напряжений по результатам измерений в рудниках на территории Северной Евразии // ФТПРПИ. – 2001. - №1.

36.  Леонтьев А.В. Напряженное состояние литосферы в отдельных регионах Северной Евразии по результатам шахтных измерений //Напряженно – деформационное состояние и сейсмичность литосферы. Новосибирск: Из-во СО РАН. Филиал «Гео». 2003. С.87–91.

37.  Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.-Л.: Госгеолтехиздат. 1958. 130 с.

38.  Лобковский Л.И. Геодинамика зон спрединга, субдукции и двухярусная тектоника плит.  М.: Наука. 1988. 254 с.

39.  Маслов Л.А. Геодинамика литосферы тихоокеанского подвижного пояса // Хабаровск-Владивосток: Дальнаука. 1996. 200 с.

40.  Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая гипотеза и некоторые перспективы ее применения // Проблемы глубинного вулканизма. М.: Наука. 1979. С.125-155.

41.  Мушкетов Д.И. Основные задачи геотектоники. М. – Л.: Изд-во АН СССР. 1935. 64 с.

42.  Мясников Е.А., Делемень И.Ф. 2004 (см. настоящий сборник).

43.  Невский М.В., Морозова Л.А., Фьюз Г.С. Длиннопериодные деформационные волны // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука. 1989. С.18-33.

44.  Николаев А.В. (ред). Проблемы нелинейной сейсмики. М.: Наука. 1987. 288 с.

45.  Николаевский В.Н. Геомеханика и флиюдодинамика. М.: Недра. 1996. 448 с.

46.  Поплавский А.А., Соловьев В.Н. Гипотеза о макросейсмическом дефекте, порождающем землетрясения // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатский. 2000. С.235-242.

47.  Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Вихревая энергетика и холодный ядерный  синтез с позиции теории движения. Кишинев-Черкассы: Око-Плюс. 2000. 287 с.

48.  Рикитаке Т. Геофизические и геологические данные о Японской островной дуге и ее обрамлении // Окраины континентов и сотровные дуги. М.: Мир. 1970. С.216-236.

49.  Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М.: Наука. 1985. 408 с.

50.  Рихтер Ч. Элементарная сейсмология. М.: из-во Ин. Литер. 1963. 670 с.

51.  Садовский М.А. О естественной кусковатости горных пород // Докл АН СССР. 1979. № 4. С.829-832.

52.  Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука. 1987. 104 с.

53.  Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука. 1991. 96 с.

54.  Сато Х. Повторные геодезические съемки // Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. М.: Недра. 1984. С. 108 – 120.

55.  Слезнак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев: Наукова Думка. 1972. 181 с.

56.  Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука. 1993. 314 с.

57.  Тверитинов Ю.И., Тверитинова Т.Ю. 2004 (см. настоящий сборник).

58.  Тишкин Б.М. Квантовая геодинамика – новая парадигма в геологии // Вестник ДВО РАН. 1994. №4. С. 91 – 102.

59.  Тишкин Б.М., Абрамов В.А. Квантово-геодинамическое моделирование геолого-геофизических структур // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания. Т. II. М.: ГЕОС. 2002. С. 237 – 240.

60.  Тишкин Б.М., Мясников Е.А. 2004 (см. настоящий сборник).

61.  Филиппов А.Т. Многоликий солитон. М.: Наука. 1990. 288 с.

62.  Фоминский Л.П. Тайны мальтийского икса или к теории движения. Черкассы: Вiдлуння. 1998. 112 с.

63.  Хаврошкин О.Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии. М.: ОИФЗ РАН. 1999. 286 с.

64.  Хаин В.Е. Глобальная геодинамика: новые успехи, старые и новые проблемы // Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания. Т. II. М.: ГЕОС. 2002. С. 279– 280.

65.  Шолпо В.Н. Феномен упорядоченности структуры Земли и проблемы самоорганизации //Система планета Земля. М. 2001. С.6 – 9.

66.  Шейдеггер А. Основы геодинамики.  М.: Недра. 1987. 384 с.

67.  Anghel M. Macro and megascopic quantization. The seismon model // Cent. Inst. Phys. (rep.). 1989. EP4. P.1-12.

68.  Cartan E., Schouten J. // Proc. Knkl. Nederl. Akad. 1926. V. 29. P. 803 – 810/

69.  Daly M.C. Correlation between Nazka-Farallon plate kinematics and forearc basin evolution in Ecuador // Tectonics. 1989. 8. N 4. P.769-790.

70.  Elsasser W.M. Convection and stress propagation in the upper mantle // Applications modern physics to the Earth and planetary interiors / Ed.S.K.Runcorn. N.Y.: Wiley Interci. 1969. P.223-246.

71.  Geist E.L., Childs J.R., Scholl D.W. The origin of basins of the Aleutian ridge: implications for block rotation of an arc massif // Tectonics. 1988. 7. N 2. P.327-341.

72.  Hashimoto M., Tada T. Horizontal Crustal movements in Hokkaido and its tectonic implications // Jour. Seismol. Soc. Jap. 1988. 41. N 1. P.29-38.

73.  Kanamori H.  The energy release in great earthquakes // J. Geophys. Res. 1977. 82. N 20. P.2981-2987.

74.  Kanasewich E.R., Havskov J., Evans M.E. Plate tectonics in the Phanerozoic // Canadian J. of the Earth Scieeces. 1978. V. 15. N 6. P. 919 – 955.

75.  Landstat 7, USGS, NASA. 2003. http://www.nature.ru/db/msq.html?mid=119053

76.  Maps of part of the Northern hemisphere of Venus. Miscellaneous investigations series / Published by the U.S. Geological Survey. 1989.

77.  Nur A., Ron H., Scotti O. Fault mechanics and the kinematics of block rotation // Geology. 1986. 14. P.746-749.

78.  Jackson E.D., Shaw H.R., Bargar K.E. Calculated geochronology and stress field orientations along the Hawaiian chain // Earth Planet Sci. Lett. 1975. V. 26. P. 145 – 155.

79.  Savage J.C. A theory of creep waves propagating along a transform fault // J. Geophys. Res. 1971. 76. N 8. P.1954-1966.

80.  Takeuchi A. Pacific swing: Cenozoic episodicity of tectonism and volcanism in Northeastern Japan // Memoir of the Geological Society of China. 1986. N 7. P. 233 – 248.

81.  Quantification of earthquakes // Tectinophysics. 1978. 49. N 3-4. P.119-272.

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: