Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Некоторые аспекты физико-математического моделирования геодинамических процессов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Некоторые аспекты физико-математического моделирования геодинамических процессов"

л.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК С* Ч1 УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи

БЕЛИКОВ ВИКТОР ТИХОНОВИЧ

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ЖЗИКО-МАТШТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность: 04.00.22 - физика твердой Земли

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург-1997

Работа выполнена в Институте геофизики Уральского Отделения Российской Академии наук.

Официальные оппоненты: член корреспондент РАН, доктор физико-математических наук А.6. Николаев;

доктор физико-математических наук Б.И.Генадинник; доктор физико-математических наук Г.П.Ясников.

Ведущая организация: Институт геофизики ОИГГМ СО РАН

в^" час, на заседании Диссертационного совета Д 003.31.01 при Институте геофизики УрО РАН в конференц-зале. Адрес: 620016, Екатеринбург, Амундсена 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан "_" _ 1997г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Защита состоится

доктор фнз-мат. наук

Актуальность пплблемн. В последнее время в геофизике ин-шсивно развивается направление, связанное с количественный зделированием геодинамических проессов разного пространст-знного масштаба, исследуется их взаимодействие и взаимообуслов-знность. Появился ряд глубоких обобщающих работ в этом нанрав-шии. Достигнутые успехи позволяют говорить о возникновении са-эстоятельного научного направления в науках о Земле - геодина-псе. В настоящее время актуальной становится проблема системати-11ши и углубления ряда аспектов количественного моделирования »динамических процессов, а также рассмотрения новых задач в •ом направлении. В частности, необходимо подробно изучить проб-;му тепломассопереноса в микронеоднородных средах с учетом воз-шшх фазовых переходов и химической неоднородности фаз. иссле-)сать в связи с этим проблемы разрушения твердых тел и генера-ш сигналов акустического излучения. Не менее актуальна задача зучения связи геодинамических процессов в микро и макромас-•абах. Данная работа посвящена рассмотрению этих и ряда других :пектов физико-математического моделирования, которые должны ставить количественную основу для познания геодинамических пропсов .

Цель работы- рассмотрение ряда вопросов количественного (делироЕания геодинамических процессов, в том числе, изучение юблемы тепломассопереноса в гетерогенной геосреде, с учетом 13М0ЖНЫХ фазовых переходов и химической неоднородности фаз, ис-едование разрушения и'метаморфизма горных пород и связанных с им процессов генерации акустического излучения, рассмотрение >просов эволюции распределения упругих напряжений в литосфере его связи с фазовыми взаимопревращениями в геосреде и лреобра-ваниями энергии.

Научная новизна:

Разработана единая модель процессов тепломассопереноса в терогенной геосреде, с учетом фазовых переходов в ней и хими-ской неоднородности фаз.

Исходя из общей постановки задачи о тепломассопереносе в терогенной среде, построены системы уравнений для описания фи-трации флюида, с учетом его физико-химического взаимодействия скелетом породы, фильтрации двухфазных пароводяной и га^оводя-й смесей, частичного плавления пород и пузырения магм, исследо-

вана общая зональность в протяженных гидротермальных системах.

3. Показано, что положение эффективной границы ядро-мантия которое обуславливается преобразованиями вещества и энергии, j основном определяет напряженное состояние литосферы.

4. Впервые сформулированы условия возникновения конвекции i Земле, с учетом сжимаемости, химической неоднородности среды 1 петрологического фактора, описывающего, в частности, и фазовы переходы.

5. На основе предложенной геодинамической модели развития планеты, рассмотрены геотектонические и геологические следствия которые позволяют дать физически обоснованную трактовку тектоническим процессам.

6. Предложена концепция разрушения твердых тел, рассматри вающая его как фазовый переход. Полученные результаты согласуются с положениями кинетической теории прочности.

7. Построена физико-математическая модель для описания про цессов акустической эмиссии. Получены соотношения, связывавши характеристики сигналов акустического излучения со структурными i

. петрофизическими характеристиками геосреды.

Достоверность научных положения подтверждается тем, чт теоретические количественные исследования основаны на уравнениях , являющихся математическим выражением фундаментальных законо сохранения массы, импульса и энергии, кроме того, в основу используемых физико-математических моделей, положены эмпирически геолого-геофизические факты, а получаемые следствия вполне cor ласуются с экспериментальными данными.

Практическое значение работы. Полученные в работе результа ты могут быть использованы при инженерно-гидрогеологических изы еканиях, количественных рассчетах по нефтегазодобыче и фильтра ции, прогнозе скрытого оруденения и метаморфизма, при разработк принципов и повышения надежности прогноза сейсмической опас ности и сейсморайонироЕании, интерпретации сигналов акустическо. эмиссии, а также при разработке лекционных курсов по геодинамт

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва лись на третьем научно-техническом совещании по геотомографи (Свердловск 1991г.), на Всесоюзном совещании "Кольцевые структу ры и морфоструктуры-теоретические и прикладные аспекты (Владивосток 1991г.), на второй Всесоюзной конференции "Проблем:

гратифицированных течений" (УССР Калев 1991г.), на втором Все-зюзном симпозиуме "Термодинамика е геологии" (Миасс 1988г.), ¡¡а тором Всесоюзном совещании "Физико-химическое моделирование в :охимии и петрологии на ЭВМ" (Иркутск 1988г.), на первой Всесою-иой конференции "Строение и геодинамика земной кори и верхней антии" (Москва тлор.), на региональной конференции Ттгермия и з применение в региональных и поисково-разЕсдочных исследовани-х" (Свердловск 1989г.), на втором Уральском металлогеническом эссаании (Свердловск 1991г. ), на четвертой Всесоюзной коле -семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения зрных пород" (Ленинград 1991г.), на научных семинарах ИГиГ СО АН. ИГиГ им. А-Н.Заварицкого УрО РАН, Института геофизики УрО АН, Института геохимии СО РАН, Уральского госуниверситета.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех раз-слов, в первом из которых семь глав, во Етором - четыре, е тре-ьем - одна, заключения и списка литературы.

Вопросы, рассматриваемые в работе, обсуждались с •Л-Алейниковым, В-Н.Шараповым, М.Я.Алисвским, Ю-А-Аверкиным, .А.Киркинским,А.H• Черепановым, А.Г.Кирдяшкиным, В.И.Сотникоеым, .С.Калининым. В.П.Молошагом, Д-Г-Рывкиным. А.М.Дымкиным, .С.СуркоЕЫМ, И-Ф.Тавриным, О.В-Беллавиным, Б. П. Рыжим, .К.Трояновым. В.А.КоротееЕЫМ, А.А.Кузнецовым, И.К.Карповым. .С. Голубевым.

сем им автор выражает сеою благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ РАЗДЕЛ 1

Количественное описание процессов тепломассопереноса в литосфере. Гидротермальные системы.

Глава 1. Количественные модели для описания процессов тепло-массоперекооса в гетерогенных средах.

Проблемы механики гетерогенных сред рассматривались в теории 1ильтрации, химическом гетерогенном катализе, теории композицион-ых материалов. Однако в геологии и геофизике при описании втерогенных сред имеется своя специфика, связанная прежде всего временным (большая продолжительность процессов) и пространст-енным (большие характерные размеры областей рассмотрения ) факто-ами. Таким образом, для геофизики существующие количественные

модели гетерогенных сред неприменимы и требуется учесть, как вышеуказанные факторы. так и некоторые другие.Разработке такоя модели посвящена данная гласа. Проблема тепломассопереноса в гетерогенной геосреде является очень важной для геологии и геохимии. Соответствующая количественная модель должна описывать гетерогенную геосреду, с учетом того, что каждая из фаз являете* химически неоднородной и в среде могут происходить фазовые переходы. Так как в большинстве геологических ситуаций нас интересуют эффекты в масштабах больших характерного размера зерна неоднородности. можно перейти к рассмотрению на расстояниях свышс характерного размера зерен. Этот переход осуществляется с пометы процедуры осреднения уравнений механики сплошных сред по обьеку, с характерными размерами, с одной стороны, много больше размероЕ зерна гетерогенности, с другой-много меньше размеров области рассмотрения или области, где существенно изменяются, входящие в 7равнения величины. Постановка задачи осуществляется в самом общем виде. Предполагается, что гетерогенная среда представляй собой совокупность некоторого конечного количества фаз, находящихся е любом (жидком, твердом, газообразном) агрегатном состоянии, причем мы несколько расширяем понятие "фаза", включая и него термин "минеральная фаза". В результате применения процедуры осреднения получаются соотношения, описывающие поведение эффективных (осредненных) характеристик среды, причем в уравнениях появляются дополнительные (по сравнению с уравнениями для гомогенной среды) члены, описывающие массовое, динамическое и экэрге-тическое взаимодействие между фазами через соответствующие межфазные поверхности соприкосновения. В итоге открывается возможность описывать каждую фазу в отдельности, с учетом ее взаимодействия с другими фазами.

Система уравнений, соответствующая данной модели будет следующей. Осредненное уравнение неразрывности а-й фазы будет иметь вид

ах

°—1РаЪ = I ' Раи»' = «а'

а"Р

где

р = - / р'йЧ , (2)

/ ау

V

V? = - . (3)

^ «

/ Р: ау

v а

Осредненное уравнение закона сохранения импульса а-я фазы (уравнение движения) будет:

о ~ ар3 1 1

—(ру") * —^ - - ' ру:а и'Х с1Б'- - / (в;® + ай*-

<П а 1 <?Т V го V го

0 в/? «00

а?!? а*/?

=0. (4)

где

1 „ .„

Р?.= - / Р'? ау; Р0.» р/ у? - б?. - та.

I к у ^ 1к 9 хк I к >.к (и/

= - ' т?к 3 -/ <6>

VI: у у I К

Осредненное уравнение для полной энергии а-я фазы имеет вид

0 г

# у ~

*„)1 + — Гр„(Д, + — + - (6?,

а'\ ^ |_га а р а' I и

V

1

- I

V ЕБ

а*р

Л * Т + ЙБ' "

1

- /

v еб

'а/?

+

Т,'°)У'®Па {В' 4 - / ^,аПа ОБ' ,

I к V к V (* г-г. V V

V еб а*(1

(7)

причем

~_,2 „2 у ~а 1 ' у ' а

г»« _ г »1? . 1 « \iilO

+ — + *аК = у { Рк{Еа + — + *а>уГ ^ . (8)

В силу того, что при фазовых переходах и деформациях меняется объем каждой фазы, к системе уравнений для описания гетерогенной среды добавляется соотношение, описывающее изменение доли объема, занимаемого данной фазой ра=Уа/У, которая в ,данном случае является неизвестной функцией. Это уравнение имеет вид

ас <»(р„т?) 1 „ „ 1

= а 1 + - г у.'^сь' + - / и.'^аБ'.

<и

ах,

v еб ,, I? «Р

ч еб,

(У)

Если в гетерогенной среде имеется n фаз. то необходимо использовать (N-1) соотношения типа (У) и одно уравнение, которое мы назовем условием нормировки

Е?а = 1. (Ш)

а» 1

Обозначения следующие :ра- осредненная в соответствии с (2)

ютность а-н фазы, vf- осреднеиная, согласно (З). срсднсмассовая :ооость а-я Фазы. ¡ величина обьема осреднения. S^,- поверх-зсть соприкосновения между а-я и ß ü фазами, п? -внешняя нормаль ) отношению к а-я фазе. va - обьем, занимаемый а-я фазой в пре-злах обьема осреднения V, -осредненный тензор потока импу->са в а-я фазе. о"к ит"к - осредиенные тензоры упругих и вязких 1пряжеиия в a -я Фазе, соответственно. gc- 1-я компонента ускоре-1Я силы тяжести. Еа и *а - соответственно осредненная внутренняя потенциальная энергии а-я фазы, рассчитанные на единицу массы. 1 • 1-я компонента кондуктивнрго потока тепла в а-я фазе. Вели-шы . т.'®, относятся к микроточке. и:а

сорость движения межфазной границы между а-я и ß-Я фазами при азовых переходах в широком смысле этого слова. Интегрирование з поверхности и по обьему осуществляется в микрокоординатах.

Для того, чтобы описывать фазовые переходы необходимо прив-:чь кинетические соотношения для описания движения границ фаз эи соответствующих фазовых переходах. В последующих главах этого i злела такая конкретизация выражений для скорости движения меж-ззной границы и'а осуществляется в каждом конкретном случае. :ли каждая из фаз представляет собой гомогенный раствор, тс для злного описания тепломассопереноса в такой среде требуются допо-штельные уравнения, позволяющие изучать отдельные компоненты аз. В данной главе приводятся такие осредиенные уравнения.

Глава '¿. Фильтрация гомогенного флюида в трещиновато-пористой среде.

В реферируемой главе, на основе общих результатов предыду-зй, строится система уравнений, позволяющая описывать фильтра-,1X3 гомогенного (жидкого или газообразного) флюида в зещиновато-пористой среде. В данном случае имеется две фазы и зжду ними одна поверхность соприкосновения, флюид предполагается ,1мически однородным, а фазовые переходы не рассматриваются, эоме того, уравнения учитывают сжимаемость обеих фаз. Полученные результате соотношения соответствуют тем, которые используются теории фильтрации. Частным случаем этих уравнений фильтрации люида является эксперементально установленный закон Дарси-

В теории фильтрации используется понятие проточных и зас-зйных зон, а также сред с пористостью и трещиноватостью, сообща-

ющихся между собой. На основании развиваемого в данной работ подхода получены уравнения фильтрации в такого типа средах, кото рые совпадают с уравнениями, полученными ранее другими авторам: шшм путем.

Глава з. Физико-химическое взаимодействие флюида и горной породы. Основные уравнения теории метасоматических явлений.

Реальная природная гетерогенная геосрсда является химическ; неоднородной, кроме того, в ней могут происходить фазовые переходы. В это понятие, наряду с обычным его толкованием, мы включа ем также процессы кристаллизации и растворения, которые по сут] также являются фазовым:, переходами. Процессы такого типа описываются с помощью развиваемого в данной работе подхода. В это; случае к уравнениям, фильтрации, которые приведены во второй главе добавляются соотношения, описывающие баланс компонент флюидного раствора и породы. Прежде всего это уравнения неразрывной] химических компонент с отличной от нуля функцией источника, которая представляет собой сумму трех слагаемых. Первое- это гомогенные химические реакции во флюиде, второе - это изменение концентрации данной компоненты за счет фазовых переходов и третье- изменение концентрации данной химической компоненты за счет диффузионного обмена через межфазную поверхность между флюидом и скелетом горной породы. В систему уравнений включаются также уравнения диффузии данной компоненты в фазах, которые конкретизируйте: с учетом их агрегатного состояния. При рассмотрении растворешн и кристаллизации скелета конкретизируются выражения для скороси движения межфазной границы. В данном случае, величина этой скорости будет пропорциональна разности текущей концентрации и концентрации насыщения рассматриваемой компоненты при данных Р-условиях. В последнем параграфе глаЕЫ рассматриваются пример!, использования данной системы для описания метасоматических явлений.

Глава 4. Движение двухфазных смесей в трещиновато-пористой ( среде.

Во многих задачах геологии и геофизики необходимо количественно описывать движение двухфазных смесей в трещино-зато-пористой среде. Примером двухфазных смесей являются паро-

водяная, а также газоводяная смеси. Система уравнений для описания фильтрации гетерогенных флюидов получается из соотношений, приведенных в первой главе этого раздела. В данном случае имеется три фазы: газ в пузырьках, жидкость и твердая фаза-скелет, или же жидкость в пузырьках, пар и скелет горной породы. Эти фазы разделены соответствующими межфазными поверхностями. Через указанные поверхности осуществляется обмен массой, импульсом и энергией между соседними фазами. Парожидкостная смесь возникает тогда, когда флюид в результате теплообмена с окружающими горными породами охлаждается и в нем происходит фазовый переход 1-го рода из газообразного в жидкое агрегатное состояние - конденсация. Газожидкостная смесь появляется в том случае, когда флюид с растворенными в нем летучими, двигаясь к дневной поверхности и попадая в область меньших давлений, "вскипает" (пузырится) с выделением растворенного газа в самостоятельную пузырьковую фазу. Полученные в данной главе уравнения позволяют решать довольно широкий спектр задач фильтрации двухфазных гетерогенных смесей в трещиновато-пористой среде, включая случай многокомпонентных газовой, жидкой и твердой фаз.

Глава 5. образование и развитие магматического очага в литосфере Земли при фильтрации летучих из мантии.

При фильтрации летучих из мантии в массиве, где протекает этот процесс, за счет нагрева горных пород при теплообмене с флюидом могут происходить процессы плавления. Частичное плавление в горных породах также может быть описано с использованием соших уравнений теплоиассопереноса в гетерогенной среде, приведенных в первой главе. В данном случае присутствуют четыре фазы: твердая, расплавная (жидкая), газообразная флюидная (исходный флюид) и газ в пузырьках, если расплав пересыщается летучими. В соответствии с этим модернизируются и общие уравнения. Для удобства рассмотрения задача разбивается на два этапа. На первом -исследуется частичное плавление в породе, когда расплав еще не псрссыаен летучш.: и выделение самостоятельной пузырьковой фазы не происходит. В этой трехфазной среде рассматривается только один тип фазового перехода - плавление скелета породы Скорость движения межфазной границы между твердой и раеллавной фазами определяется из кинетических соображений, в результате

получается явное выражение функции источника в уравнениях баланса массы через термодинамические параметры (температуру). Полученные уравнения динамики массообмена при данном фазовом переходе, в частном случае, дают решение известной стефановской задачи о подвижной границе. Последующий этап переноса летучих при развитии процесса частичного плавления - это миграция в расплаве. Предполагается, что на данном этапе вся твердая фаза расплавлена, а перенос летучих осуществляется в виде пузырьков и в ионно-молекулярной форме. В данном случае рассматривается дбс фазы - жидкая (расплав) с растворенными в ней летучими и пузырьковая. Полученные для этого конкретного случая уравнения, позволяют описывать динамику обмена массой между указанными фазами. Так как в данной ситуации происходит фазовый переход типа жидкость-газ, то соответственно этому записывается и явное выражение для скорости движения межфазной границы. При этом появляется возможность записать функцию источника в уравнении неразрывности пузырьковой фазы через макроскопические параметры, в частности через величину пересыщения расплава летучими.

Глава ь. Процессы кристаллизации и дифференциации в магматической камере.

В данной главе рассматривается в основном постановка задачи, позволяющей описывать данный процесс. При этом предполагается, что твердая фаза представляет собой совокупность некоторого конечного количества минеральных фаз, а расплав - гомогенный раствор ряда химических компонент. Считается, что присутствует одна жидкая фаза. Здесь же исследуется важная проблема, возникающая при изучении протяженных гидротермальных систем - отделение летучих при кристаллизации магм. В главе дается оценка потока летучих в окружающие горные породы. Отмечено, что указанный поток по порядку величины пропорционален пересыщению расплава летучими. Пересыщение наступает при одном из следующих условий: 1) уменьшение количества растворителя (что происходит по мере увеличения доли закристаллизованного расплава), 2) наличие потока летучих через расплав из более глубоких горизонтов, 3) изменение термодинамических условия в кристаллизующемся очаге.

Глава 7. Зональность в протяженных гидротермальных системах, обусловленная фазовыми переходами.

При движении флюида к дневной поверхности в нем, вследствие изменения термодинамических условий, могут происходить фазовые переходы, кроме того, меняются условия миграции химических ком-юнент. например растворенная форма летучих и пузырьки во флюидах ■1 магмах. В соответствии с этим во всей области миграции флюида шблюдается некоторая упорядоченность (зональность), с зответст-зующая указанным выше явлениям. Вопрос о зональности протяженных гидротермальных систем можно поставить и шире. Если в области зазвития таких систем образуются промежуточные очаги плавления. го с точки зрения механизмов миграции летучих, очаги можно рассматривать, как зоны, в которых перенос летучих осуществляет-:я диффузией по расплаву и в виде пузырьков. В главе рассматри-зается общая зональность в гидротермальных системах, исследуется шнамика изменения размеров зон в зависимости от термодинамичес-сих условий, свойств среды и флюида. Вывод о зональности в 1ротяженных гидротермальных системах является дальнейшим развити-:м и физическим подтверждением идей Д.С.Коржинского о транс-сагматических флюидах и может быть использован при решении пробам рудогенеза.

РАЗДЕЛ 2

Количественное описание геодинамических процессов.

Глава 1. Состояние изученности проблемы происхождения и ^ эволюции Земли и механизмов тектогенеза.

В главе дается краткий обзор истории развития взглядов на ¡роблему тектогенеза, отмечаются главные вехи и основные направ-1сния развития геотектоники. Большое внимание в обзоре уделяется •ем вопросам, которые не находят объяснения ни с позиций фикси-)ма. ни с позиций мобилизма. Согласно П.Н. Кропоткину, это следу-эщие проблемы:

1). Существование э^ох и фаз усиления складчато-покровных юформаций с одной стороны, рифтогенеза - с другой.

2). Периодическое усиление и ослабление проявлений вулка-[изма и плутонизма и регионального метаморфизма в глобальном мас-зтабе.

3). Глобальная периодичность трансгрессий и регрессий мо-

)ей.

В конце главы делается вывод о том, что в настоящее время

актуальной становится задача создания такой физической концепции. которая позволила бы разобраться с энергетикой геодинамичес-.ких процессов, помогла бы определить источник сил, управляющи> ^геодипамическими явлениями и на этой основе дала бы возможное™ исследовать основные тенденции развития нашей планеты.

Глава 2. Гипотезы происхождения Земли и соответствующие им геодинамические следствия.

Вначале главы обсуждаются основные гипотезы происхождени? Земли, количественно формулируются их основные положения, обсуждаются их достоинства и недостатки.. При исследовании геодинамических процессов, одной из важнейших проблем является характеристика свойств вещества. Связано это с тем. что свойства сред1 зависят от временных и пространственных факторов, характеризуем) эти явления.

Как известно, связь между динамическими и кинематическим* характеристиками сплошной среды (напряжения и деформации) описывается реологическими соотношениями. Выбор последних определяется спецификой задачи. Известно, что одни и те же вещества в зависимости от характерного времени действующих на них сил, веду" себя по разному. Например горные породы при кратковременных воздействиях ведут себя как упругие тела, в то же время при длительных воздействиях, они нередко несут в себе несомненные след! течения. Очевидно, что в том и другом случае необходимы различные способы описания их поведения. Пусть т-максвеловское врем* релаксации напряжений. <*> - частота действия внешних сил. Тог л-: при ыт » 1, тело можно рассматривать как упругое. При обратно* соотношении шт « 1-как вязкую жидкость. 3 промежуточном состоянии 1 горные породы характеризуются одновременно коэффициентом вязкости V и модулем сдвига и- В этом случае связь межл: величинами т>, р и временем релаксации т выражается соотношением

п - ти • (14

Время релаксации является характеристикой вещества. определяемся в обсен случае, микроскопическими факторами. Оно зависит от механизма перестройки внутреннй структуры среды б напряженно) состоянии. Все три параметра, входящие в (11), должны определять -ся' независимо и в соответствии с величиной соотношения г]/ (ту

осуществляется выбор реологической модели. Если т?/(т^)« 1, то тело может рассматриваться как идеально упругое, при обратном соотношении, для описания среды может быть использована модель вязкой жидкости. Если же выполняется соотношение (11), поведение среды может быть описано одним из уравнений состояния вязко-упругой среды, например тело Максвела. В данной главе исследуется вопрос о том, как могут быть определены величины гит?. Оценку вязкости можно сделать, используя результаты работ Херринга и Набарро. Определение такого важного параметра, как время релаксации т в работе осуществляется также на основе концепции диффузии вакансий и атомов. Модуль сдвига определяется из сейсмических данных.

Основой количественного описания эволюции любого физического объекта является система уравнений, представляющая собой математическое выражение законов сохранения массы, импульса и энергии. Для такого обьеета, как Земля, имеющего достаточно большие размеры, в зависимости от того, что именно мы изучаем, с одной стороны. необходимо рассматривать уравнения баланса, описывающие поведение единицы объема, с другой-аналогичные соотношения для всей планеты в целом. Такие уравнения, с учетом первого раздела. выводятся в настоящей главе, причем балансовые соотношения для всей Земли в целом получаются интегрированием по обьему планеты. в ебшем случае, являющемуся переменным бо времени. Здесь же делается важный для понимания геодинамических и геотектонических процессов выбод о том, что основой эволюции нашей планеты является преобразование энергии в процессе ее развития. Показано. что эта эволюция должка происходить немонотонно и з механическом и в тепловом отношении.

Глава з. Геодинамические основы тектонических процессов.

Главной проблемой геотектоники является вопрос о происхождении тектонических сил. Для того, чтобы разобраться в этом важном вопросе, в данной главе рассматриваются следующие модельные задачи. Первая- с распределении напряжений и деформаций в гра-витирующем иевращающемся шаре. В этом случае распределение напряжений к деформаций сферически симметрично, то есть смещения. деформации и напряжения зависят лишь от радиуса. 3 рамках этой задачи исследуется две модели: а) однородный упругий шар, б) шар

с жидким ядром и упругой оболочкой. В результате проведенных рассчетов можно сделать вывод о том, что тангенциальные напряжения на поверхности гравитирующего шара с жидким ядром, в отличие от соответствующих выражений для однородного шара, зависят от давления на границе между жидким ядром и твердой оболочкой. Эта связь для параметров, соответствующих земным, выражается следующим образом:

боеп = -и«35'10* Кбар. -0,2.(0,9ЮВ-р)кбар. (12)

где °ооп~ тангенциальные напряжения вблизи земной поверхности, р- давление на границе ядро-мантия.

Из анализа рассмотренных моделей и соответствующих им выражений, характеризующих распределение напряжений, можно сделать некоторые выводы, имеющие принципиальное значение для познания геодинамических условий тектогенеза.

1). Соотношение между тангенциальными и радиальными главными нормальными напряжениями зависит от наличия или оотсутст-вия жидкого ядра, его относительных размеров (по отношению к радиусу Земли), а также от размеров самого земного шара и величины давления в жидком ядре.

2). Поскольку эффективная граница между жидким ядром Земли и ее твердой оболочкой является фазовой, а положение ее зависит от давления и температуры, то в связи с пульсационным режимом изменения последней, соответствующим образом должно изменяться и напряженно-деформированное состояние тектоносферы.

3). При охлаждении планеты внутреннее ядро должно уменьшаться, а величина тангенциальных (горизонтальных) сжимающих напряжений, как следует из рассчетов, должна возрастать, соответственно при разогреве картина изменения напряженного состояния будет противоположной.

4). Влияние перемещения границы жидкое ядро-твердая оболочка должно проявляться в геотектонических процессах глобально на всем земном шаре и синхронно во времени с отличиями, зависящими как от региональных особенностей стрхния и свойств тектоносферы. так и формы поверхности ядро-мантия и неоднородности давления на ней.

5). Очевидно,изменение положения границы ядро-мантия долж-

1 ь

но приводить к вариации момента инерции и, как следствие, к изменению скорости срашения Земли.

В этой же главе рассмотрена вторая модельная задача о распределении напряжений во вращающемся , равитирующем шаре.

Вещество мантии в настоящее Бремя и тем более в геологическом прошлом следует рассматривать как гетероггчную и химически неоднородную среду, в которой протекают различные физико-химические процессы (фазовые переходы, в том числе плавление, химические реакции, гравитационная дифференциация, радио-зктивный распад и.т.д.). Естественно, что в этих условиях причины возникновения и механизм конвекции являются существенно более :лсжними, чем это обычно предполагается и требуют специального Осуждения. В данной главе сформулированы условия возникновения шнвекшш. учитывающие сжимаемость, химическую неоднородность хосреды и, так называемый петрологический фактор. Последний опи-зывает изменение плотности среды при изохимических фазовых переходах. в том числе, при изменении агрегатного состояния вещества. Следует отметить, что указанные факторы существенно ослож-1яют условия возникновения конвекции по сравнению с общепринятыми для несжимаемой, гомогенной и химически однородной среды.

Глава 4. Геологические следствия геодинамичсских процессов.

Как было показано во второй и третьей главах этого раз-зела, в результате преобразования различных видов энергии в процессе эволюции Земли, эффективная граница между жидким ядром н внешней оболочкой должна была перемещаться к дневной поверхности и обратно. Это, в свою очередь, должно было приводить ■ к изменению величины упругих напряжений в твердой оболочке и ее юшности. Эти два факта и определяют те геологические следст-зия, которые связаны с деформацией внешних слоев Земли.

В главе исследуется устойчивость (по отношению к изменению формы ) оболочки в условиях действия в ней горизонтальных сжинающих напряжений. В результате можно сделать следующие выводы. :сли принять, что вероятные размеры мегаэлементов проторельефа 5ыли близки к характерным размерам щитов и кратонов, то величина мощности оболочки должна быть порядка тысячи километров. В то ке время величина критического напряжения почти на два порядка превышает модуль упругости. Полученное критическое значение мощ-

ности. при котором упругая оболочка теряет устойчивость. моглс соответствовать реальным величинам в геологическом прошлом. Однако найденные критические значения напряжений превышают предел текучести вещества литосферы и плита не может считаться упругой. Это указывает на то. что образование поднятий и впадин с размерами, характерными для щитов и кратоиов в результате упругой потери устойчивости невозможно и следовательно формирование континентов и океанов происходило при вязко-упругом режиме деформации.

При упругой потере устойчивости оболочки должны были возникнуть более или менее упорядоченные системы поднятий и прогибов. В случае вязко-упругого механизма деформаций, нет никаких оснований предполагать существование какой-либо упорядоченности в расположении впадин и поднятий, то есть изначально, расположение протоконтинентов и океанов должно было быть неупорядоченным.

Протопланета первоначально, по-видимому, имела неправильную форму. В результате контракции, под действием больших горизонтальных напряжений упругие и неупругие деформации поверхности должны были увеличиваться. Выгибались кверху поднятия. опускались прогибы, при этом происходило снижение давления под областями поднятий и увеличение его под впадинами. При одинаковой в среднем температуре, под поднятиями могло происходить плавление, согласно механизму Аффсна. Образование очаговых зон плавления стимулировало процессы дифференциации вещества, в частности, обогсдение верхних частей поднятий легкоплавкими, относительно более кислыми фракциями, что способствовало становлению коры континентальных областей. В зонах впадин процессы плавления и дифференциации происходили менее интенсивно. Если бы эволюция протокоры продол-жалась только таким образом, то следовало бы ожидать примерную ее одновозрастность по всей поверхности протолланеты. Отсюда следует, что одноактным процессом сжатия нельзя обьяснить различий возраста земной коры океанов и континентов.

Как было показано ранее, в процессе эволюции планеты вследствие преобразования энергии, стадии сжатия должны были сменяться расширением. Очевидно, что в процессе расширения планеты должно было происходить преимущественное увеличение площадей впадин с возможным образованием разрывов оболочки в их пределах. Меж-

но предположить, что таким образом происходило формирование океанической коры более молодой по сравнению с корой протоконтинен-тов. Хотя механизм одноактного расширения и позволяет обьяс-нить разновозрастность коры континентов и океанов, однако не отвечает на вопрос, почему возраст современной океанической коры не превышает примерно 150 млн. лет. Это затруднение может быть снято если предположить. что процессы сжатия-расширения происходили не однократно, а циклически сменяли друг друга. Тогда можно предположить, что часть коры современных океанов могла образоваться на последних этапах расширения Земли.

Очевидно, что первым этапом эволюции планеты было сжатие, которое привело к большому уплотнению вещества недр. За счет разогрева, обусловленного уменьшением потенциальной энергии. диссипацией вязких напряжений, радиоактивным распадом, а также фазовыми переходами, некоторые минералы при определенных Р Т условиях плавятся. Процесс разогрева должен был приводить к дальнейшему увеличению зоны расплава, расширению вещества, стимулирующему возникновение термоупругих напряжений. Процессы разогрева способствуют понижению эффективной вязкости вещества земли и стимулируют макроскопическую конвекцию, приводящую к выносу тепла с больших глубин и вызывают общее охлаждение Земли. При этом эффективная граница ядро-мантия движется в направлении к центру и повторяется стадия сжатия во внешней оболочке литосферы. Этот глобальный пульсационный процесс (смена фаз сжатия - расширения) будет продолжаться до тех пор. пока количество выделяющегося тепла окажется недостаточным для преодоления сил гравитации.

Рассмотрим подробнее эволюцию рифтовой зоны при пульсирующем режиме изменения напряжений на фоне глобальной стадии сжатия. В результате ослабления сжимающих напряжений, обусловленного смешением границы ядро-мантия к дневной поверхности, а также другими фазовыми переходами происходит раздвнжение бортов рмфто-вой впадины. Открывающиеся при этом мегатреоны заполняются магматическим и облок^чным материалом. При последующем сжатии, связанном, в частности, с опусканием эффективной границы ядро-мантия к центру планеты, происходит обратное смещение бортов, раздвинутых ранее. Однако вследствие частичного заполнения трещин рифта они не возвратятся з исходное положение. 3 результате пу-

льсационного цикла границы бортов оказываются раздвинутыми, а пространство между ними заполнено новообразованной корой. В последующие циклы раздвижение литосферных плит должно увеличиваться, что соответствует общему расширению или спредингу океанического дна.

Одним из важных вопросов, возникающих при рассмотрении механизма спрединга является проблема образования поверхности скольжения по которой литосферные плиты смещаются в стороны от средин-но-океанического хребта. Подойти к пониманию природы этой поверхности можно, допустив процесс серпентинизации ультраосновных пород в нижней части новообразованной литосферы за счет поступающих в нее глубинных флюидов. Возникающие при учаетии флюидов серпентинизированные ультрабазиты являются тем материалом, благодаря которому создаются благоприятные условия для премещения литосферных плит.

Существенную роль в процессах тектогенеза играют области плавления. В главе, в дополнение к результатам первого раздела, подробно рассмотрен вопрос о влиянии флюидного тепломассопереноса на механизм образования вторичных магматических очагов. Проведенные исследования позволяют представить механизм спрединга океанического дна следующим образом. На стадии расширения Земли в наиболее прогнутых частях впадин (океанах) возникают зоны концентрации растягивающих напряжений и соответствующие им пояса повышенной проницаемости (мировая рифтовая система). В результате флюидного тепломассопереноса в них, при определенных условиях, возникают магматические очаги из которых материал поступает в пространство, образующееся при раздвижении литосферных плит и формируется молодая кора океанов-

Проблема взаимодействия литосферы и астеносферы и связанные с ней вопросы геодинамики интересуют многих ■ исследователей-тектонистов. В связи с этим, в главе рассмотрен вопрос об устойчивости литосферной оболочки, лежащей на астеносфере. Исследованы два случая. В первом- литосфера рассматривается как упругое тело (время взаимодействия ее с астенолинзой существенно меньше времени релаксации напряжения, возникающих в ней). Во втором случае литосфера считается вязкой и предполагается, что длительность взаимодействия 'ее с астенолинзой много больше времени релаксации упругих напряжений. В итоге сформулированы количес-

венные критерии устойчивости таких структур и рассмотрены геоло-ические следствия. Как показано во многих работах, под литосфе-юй возможно растекание мантийного материала в горизонтальном управлении. С точки зрения геодинамики и геотектоники важно важ-;о определить является ли движение расплава вихревым или потен-шальным. Этот вопрос возникает в связи с тем, движение расплава [роисходит во вращающейся Земле. Дело в том, вихревое движение в [идкости возникает в следующих случаях: а) если силы, действу->щис на жидкость являются непотенциальными. б) если плотность ¡идкости зависит не только от давления. С другой стороны, подав-ение вихрей обусловлено вязкой диссипацией энергии. Непотен-;иальной силой, действующей на жидкость (расплав) вращающейся ¡емли. является сила Кориолиса. Приведенные в работе оценочные 1ассчеты показывают, что если вследствие подьема нижней границы ;стсносферного слоя (или погружения верхней) из области пережима асплав растекается горизонтально под литосферой во всех направ-ениях.. действие Кориолисовой силы приводит к отклонению тра-кторий частиц вправо от касательной к токовой линии в северном юлушарии. в южном - ситуация противоположная. При этом, под влитием вихревого течения расплава, несколько более вязкая оболоч-:а над ним должна деформироваться с образованием структкрных лементов, отражающих вихревое движение подкорового расплава, ассчсты показывают, что это возможно при вязкости. присущей азальтовому или насыщенному летучими гранитному расплаву. Таким бразом. под влиянием вихревого течения расплава, оболочка должна ыла деформироваться с образованием складчатых систем. сходящихся ; центре вихреобразной структуры и представляющих собой серпо-;идные мегаэлементы, обращенные выпуклой стороной по направле-:ию движения расплава. В геологической литературе имеется ряд писаний вихреобразных структур в земной коре различных регионов, дна из наиболее отчетливо выраженных вихреобразных структур на ерритории России выделяется в фундаменте Русской платформы.

РАЗДЕЛ 3

Проблемы количественного моделирования процессов разрушения и метаморфизма горных пород.

Глава 1. Процессы разрушения и метаморфизма горных пород.

Понятие разрушения твердого тела тесно связано с представло-

ниями о его прочности. До сравнительно недавнего времени считалось, что прочность является одной из физических констант, характеризующих материал- Положение участков разрушения связывалось I локализацией зон концентрации напряжений. Основываясь на эти: представлениях, Гриффите разработал. так называемую, "энергетическую" теорию прочности, согласно которой рост микротрещины происходит, с одной стороны за счет концентрации напряжений вблизи ее концов, с другой - обусловлен подводом энерги: к ее вершинам. Концепция Гриффитса была развита далее Д.Ирвино: и Е.Орованом и вошла в теорию разрушения под названием концепци: квазихрупкого разрушения. Позднее, идеи Гриффитса были обобщены : работах Г.П.Черепанова и Дж.Р.Райса. В кинетической теории раз рушения, основоположником которой является С-Н.Журков, проч ность уже не рассматривается как константа материала. Вмест термина прочность вводится понятие долговечность, а процес разрушения связывается с кинетикой накопления разорванных межатомных связей. Согласно кинетической концепции прочности, мик ротрещины зарождаются со средним временем ожидания, равным

"о"»'6

в = т ехр - . (13)

° КГ

где о- приложенное напряжение, Т -абсолютная температура, к- пос тоянная Больцмана, то - параметр, по порядку величины совпадают! с периодом собственных колебаний атомов в решетке, ио -энерги активации разрушения в ненагруженном состоянии, близкая по вели чипе энергии сублимации, г-структурный фактор. С целью прогерк положений кинетической теории прочности, был проведен ряд экспериментальных работ, углубивших понимание процесса разруше ния. Важно отметить, что большинство перечисленных концепци рассматривают разрушение как чисто механический процесс, процессом разрушения тесно связано такое преобразование горны пород при изменении термодинамических условий, как метамор физм. С понятием метаморфизма ассоциируется представление об ус тойчивости минеральных ассоциаций в различных термодинамически условиях. Следует отметить, что устойчивость горных пород, так;:; как прочность, рассматривается как постоянная. присущая данно

му веществу (горной породе) характеристика. Однако это представление. справедливое в рамках равновесной термодинамики, не может быть использовано при изучении метаморфизма как процесса. Таким образом и понятие прочности пород и понятие устойчивости минеральных ассоциаций близки по своему смыслу, в связи с чем в этом разделе мы рассматриваем их совместно.

Напряженно деформированное состояние твердого тела можно рассматривать как метастабильное. Очевидно, что рано или поздно тело стремиться перейти в устойчивое состояние. Это происходит за счет перестройки его внутренней структуры в соответствии с принципом Ле ¡¡¡ателье. Для исследования рассматриваемого механизма перехода из метастабильного в устойчивое состояние можно воспользоваться известным из термодинамики представлением о переходе в стабильное состояние перегретой жидкости. Действительно, перегретая жидкость, вследствие фазового перехода 1-го рода превращается в пар. который образует внутри нее скопления пузырьков. Фастически этот процесс можно рассматривать, как "разрушение" жидкой среды. Изложенные соображения наводят на мысль о возможности подобного рассмотрения процесса микроразрушения твердого тела. А именно, можно считать, что образование зародышей микротрещин в твердом теле происходит анологично тому, ¡сак возникают зародыши пузырьков газа в перегретой жидкости, то есть процесс хрупкого разрушения можно рассматривать как фазовый переход из твердого в газообразное состояние (фазовый переход 1 -го рода). Основываясь на этом положении, получена формула для вероятности образования зародыша, которая имеет вид

9 = г ехр

I к V к

■О „и'.

V к V V ~

И!

(14)

где и и1к- темзоры напряжений и деформаций в твердом теле, 6'к и и'I: ~ тензоры напряжений и деформаций в зародыше, ?-пло-аадь поверхности зародыша, а-коэффициент поверхностного натяжения. Эта формула по структуре анологична экспериментально полученной С.Н.Журковым. Сравнивая ее с (13), видим, что

и0=с*. = «51к-б;к)и;к . т = то. (15)

Зародыши микротрещин образуются в термодинамически благоприятных местах деформируемой среды. Объединение таких зародышей с макроскопической точки зрения представляет собой движение межфазной границы. Так происходит макроскопический рост трещин.

Возникновение микротрещин в первоначально однородной среде делает ее гетерогенной. В связи с чем. для описания протекающих в ней процессов необходим соответствующий физико математический аппарат. Тем более это необходимо для изначально гетерогенных сред. Таким аппаратом являются осредненные уравнения механика гетерогенных сред, рассмотренные в первой главе первого раздела. Понимая разрушение как фазовый переход и считая внутритрещин-ное пространство одной из фаз, мы описываем процесс трещинообра-зования. как увеличение доли объема, занимаемого этой фазой в среде. В данном случае скорость движения межфазной границы (и;01 в (У))-это скорость ее перемещения при разрушении. Она может быть определена из кинетических соображений. Оценивая ее с точностью до постоянных сомножителей, получим, что скорость движения межфазной границы при разрушении пропорциональна разности температуры твердого тела и температуры фазового равновесия, например твердое тело-газ (хрупкое разрушение). Таким образом, с макроскопической точки зрения процесс разрушения осуществляется только в тех областях, где среда перегрета, то есть ее температура выше температуры фазового перехода при данном давлении. Условия разрушения определяются по фазовым диаграммам, на которых показаны области существования твердой, жидкой и газообразной фаз при соответствующих температурах и давлениях. Другими словами, если нам необходимо определить термодинамические условия, при которых может произойти разрушение горных пород, следует сопоставить температуру и давление в них, с соответствующей диаграммой равновесия. Конкретный вид зависимости температуры и других параметров деформируемой среды от пространственных координат определяется как результат решения системы уравнений динамики гетерогенной среды. Не конкретизируя ситуацию, на основе общего анализа одного уравнения для температуры, можно получить ряд важ-

шх следствий. Во-первых, поскольку тепловыделение за счет вяз-:ой диссипации прямо пропорционаглно ]свадратам скоростей ^формаций, то чем с большими скоростями деформируется тело, тем ¡ольше тепловыделение, и следовательно, перегрев и соответственно (лагоприятнее условия для разрушения. Во-вторых, если за предела-си области деформации температура ниже, чем в ней саь_;й. конд-'ктивная теплопроводность способствует оттоку тепла из данного 'частка. снижая в нем температуру и уменьшая вероятность перегре-5а. То есть при прочих равных условиях, более высокой тепло-фоводности соответствует более высокая прочность. С другой сто-юны. за счет относительно более высокой конвективной теплопро-ядности и меньшего тепловыделения за счет вязкой диссипации, при фочих равных условиях, разрушение пластичных и жидких тел менее вероятно по сравнению с хрупким.

Далее в разделе рассматривается проблема генерации акус-•ической эмиссии. Под акустической эмиссией (АЭ) обычно понимает-:я излучение материалом механических волн, вызванное динамически локальной перестройкой его внутреннй структуры. Возник-ювение ее обычно связывется с разрушением среды и изменением ее ¡апряженного состояния в процессе деформации. Природа АЭ может ¡ыть понята на основе количественной модели гетерогенной среды-1оследняя же может быть охарактеризована системой осреднекных 'равнений, ранее рассмотренных в первой главе первого раздела. 1з этих соотношений можно получить волновое уравнение с отличной 1Т нуля правой частью. Например, для продольных волн, это урав-юние имеет вид

ё1 -

аге1

<

= А

(16)

•де -смещение в продольной волне, с ^скорость продольных волн, ¡еличина а[ , с точностью до малых более высокого порядка, записы-5ается следующим образом

А1 = — Е (6° - 0„„

1 2р а,|(? 1к 1к к (17)

а*/?

где б®к - осреднениый по а-й фазе тензор упругих напряжений. п^,

= - / се' -удельная поверхность, разделяющая а-ю и р-ю фазы, н; 4

которой Дб^ = * о, п® -внешний, по отношению к а-й фа

зе, осредненный вектор нормали, п® = /п"йБ'/ /ДБ' . функция ис-

Ба/? Ба/?

точника обусловлена в данном случае динамической неравновесное' тью среды, а именно неравенством ¡напряжений на границе раздел; фаз. Приведенные в работе оценю! частот и энергии акустическог излучения связывают последние с текстурно- структурными и петро-физическими характеристиками среды. Так характерная частота АЗ возникающей в гетерогенной среде, определяется формулой

= [(АбП)/(1р)] , где 1- амплитуда колебаний межс^азной поверхности, Дб-разница напряжений на границе раздела фаз, п-удельна; (рассчитанная на единицу обьема) излучающая внутренняя поверх ность, р -плотность среды. Если одна из фаз трещинная, частота А

V = [(Ю)/(1ср)] , где 10- размер элементарного обьема разруше пия (трещины), Е-модуль упругости среды. АЭ может иметь, вооб ще говоря, бесконечный набор характерных частот, связанный колебанием участков межфазной поверхности между различными фа зами среды. Рассчитанный частотный спектр энергии АЭ по порядк; величины определяется соотношением ЕдЭ~ ж/у', где £дЭ -плотност. энергии АЭ. «-параметр, характеризующий . среду. Величина = (Д5П)2/р. Динамическая неравновесность в гетерогенной среде мо жет быть вызвана как внешними, так и внутренними причинами, первом случае среда может просто переизлучать переданную е. энергию в соответствии со своей внутренней структурой, веществен ной и динамической обстановкой. Во втором случае, при фазо вых переходах, энергия может черпаться, как за счет внешнего, та. и за счет внутреннего источников. Возникновение ( за счет фазо

зых переходов 1-го и 2го рода) и рост новой фазы, которая отливается от окружающей среды по физическим свойствам и. в частнос-ги. по ходулям упругости, приводит к соответствующему изменению го времени распределения напряжений в окружающем данную фазу пространстве.

Выполненный в данном разделе анализ процессов разрушения показывает, что области, благоприятные для трещинообразования <арактеризуются определенными для данного материала Р-Т условиями. Такие участки мы будем называть метастабильными. Степень <етастабильности участка потенциального трещинообразования может Зыть оценена по формуле С.Н.Журкова. которая определяет частоту жразования зародышей микротрещин или по полученной в этом раздето более общей зависимости . учитывающей внешнее давление. Очевидно. что чем больше вероятность появления зародыша, тем выше зтепень метастабильнссти данной области. Рассматриваемый подход <ожет быть использован при выделении метастабильных зон больших ! малых размеров, в частности, при прогнозе сейсмической опас-юсти. Близкая по смыслу процедура выделения метастабильных зон <ожст быть основана на анализе, рассмотренной выше, системы урав-юшШ гетерогенной среды и трактовке разрушения как фазового перехода. В соответствии с такой концепцией для выделения зоны возможного разрушения, вообще говоря, необходимо было бы решить сказанную систему уравнений, определить Р-Т условия, а затем сра-знить полученный результат с соответствующей данной среде шагракмой, фазового перехода, например твердое состояние-газ. Теоретическая возможность такого решения создает некоторые ;рс51мущества по сравнению с подходом, основанном на формуле •¡-Н.Журкова, поскольку в последнем, для определения размеров метастабильных зон. требуются соответствующие критерии. Однако по :ути, оба подхода близмь Параметрами, знание которых необходимо 1ля выделения метастабильных зон. являются состав среды, ее тем-[ература и напряженное состояние, упругие модули и 1лотность. Кроме того, необходимо знать энергию и температуру со->тветствующего фа: шого перехода. К числу важных, относится также юпрос о выборе граничных условий и если потребуется начальных. 1ля этой цели необходимо рассмотрение задачи о напряженном состо-шии литосферы, проведенное во втором разделе. Следует отменить, что наряду с существованием метастабильных зон, связанных

с хрупким разрушением, в естественных условиях следует учитывать и возможность существования зон, связанных с фазовыми переходами типа твердое состояние-расплав, а также метаморфическими переходами. Если такие фазовые переходы совершаются достаточно быстро и захватывают достаточно большие обьемы, сейсмические последствия, связанные с этими процессами, могут быть не менее катастрофическими, чем в случае хрупкого разрушения.

В конце данного раздела рассмотрена проблема количественного описания процессов метаморфизма. Фактически метаморфизм горных пород, если их рассматривать как гетерогенную среду, представляет собой замену одной ассоциации минеральных фаз-другой, устойчивой в новых термодинамических условиях. При этом может происходить перераспределение химических элементов между фазами с сохранением среднего химического состава или с изменением его в случае привноса-выноса из данного обьема. Для количественного описания процессов метаморфизма используется система уравнений гетерогенной среды, с учетом химической неоднородности фаз. Данная система уравнений рассматривалась в первой главе первого раздела. Полученные уравнения и сделанные на их основе оценки могут использоваться для изучения динамики процессов метаморфизма и, как частный случай, процессов метасоматоза.

Защищаемые положения:

1.Разработанная количественная модель процессов тепломассопереноса в гетерогенной геосреде и построенная система уравнений, позволяют описывать широкий спектр явлений в такого рода средах. Это такие процессы, как фильтрация флюида с учетом его физико-химического взаимодействия со скелетом породы, фильтрация двухфазных газоводяных и пароводяных флюидных смесей в трещиновато-пористой среде, частичное плавление горных пород, кристаллизация в магматических очагах, миграция летучих в расплаве и пузырение магм, метаморфизм и метасоматоз, разрушение горных пород.

2.Предложена количественная модель, позволяющая выделить основной движущий механизм развития геодинамических процессов -преобразование энергии. Анализ полученных уравнений, с привлечением геологических данных, позволяет сделать вывод о том, что характер развития геодинамических и геотектонических процессов

связан с изменением напряженного состояния тектоносферы при движении межфазноя границы ядро-мантия, обусловленного взаимопревращениями вещества и энергии.

3.Предложенная концепция разрушения горных пород, интерпретирующая его, как фазовый переход, позволяет рассматривать это явление, как физико-химическое по своей сути, для описания которого необходимо кроме механических, привлекать и термодинамические характеристики. Следствия из предложенной теоретической модели не противоречат положениям кинетической теории прочности и имеющимся экспериментальным данным. Проведенные в работе теоретические исследования по разрушению горных пород, позволили предложить принципы прогноза сейсмической опасности и сейсмического районирования.

4.Разработанная количественная модель гетерогенной среды, дает возможность понять природу такого явления, как акустическая эмиссия и позволяет связать характеристики сигналов акустического излучения со структурными и динамическими особенностями геосреды.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Беликов В.Т., Сыровой В.В. Определение галактоцентрического расстояния Солнца и отношения полного поглощения к селективному //Звездные скопления и двойные системы. Свердловск, 1978.-с.14-18.

2. Бе ликов В. Т. Оценка возрастов и масс темных пылевых облаков //Астрон. циркуляр. 1979. N 1058.-с.5-6.

3.Беликов В.Т. Исследование кинематики темных пылевых облаков //Астрон. циркуляр. 1980. N 1090.-С.7-8.

4.Алейников А.Л.,Беликов В.Т. Роль зон повышенной проницаемости в развитии земной коры //Геология и геофизика- 1984. N4.-с.70-78.

5.Беликов В.Т. Условия диссоциации и рекомбинации водяного пара ео флюидном потоке //Геология и геофизика. 1986.n3.-C.110-113.

6.Беликов В.Т. Некоторые вопросы флюидного тепломассопереноса в земной коре //Геология и геофизика.-Новосибирск, 1986.-22с.-Деп. в ВИНИТИ 04.04.86. N24264386.

7.Беликов В-Т. Флюидный тепломассоперенос в слоистой литосфере //Геология и геофизика.-Новосибирск, 1986.-1 Ос.-Деп. в ВИНИТИ

04.04.86.N2427-В86.

З.Беликов В.Т. Условия фильтрации двухфазного флюида в трещинова-то-пористоя среде. Тезисы доклада совещания "Термодинамика в геологии ".-Миасс, 1988.-Т. 1 .-С.44-45.

9.Беликов В.Т. Зональность в области фильтрации флюида, обусловленная фазовыми переходами. Тезисы доклада Всесоюзн. совещ. "Физико-химическое моделирование в геохимии и петрологии на ЭВМ".-Иркутск.1988.-Т.1 .-€.51-52.

Ю.Беликов В.Т. Об основных уравнениях фильтрации флюида в деформируемой трещиновато-пористой среде //Геология и геофизика. 1989. N5.-с.59-64.

11.Беликов В.Т. Тепломассоперенос в гетерогенных средах. Тезисы доклада конф. "Геотермия и ее применение в региональных поисково-разведочных исследованиях ".-Свердловск, 1989.-с. 4.

12.Беликов В.Т. Количественное описание процессов тепломассопере-носа в литосфере //Геология и геофизика. 1991. N5.-с.3-9.

13.Алейников А.Л., Беликов В.Т., Немзоров Н.И., Троянов А.К. Связь акустической эмиссии с петродинамикой. Тезисы доклада 3-го Всесоюзн. научно-технич. совещ. по геотомографии .-Свердловск, 1991. -с.88-89.

и.Алейников А.Л., Баранов Б.В., Беликов В.Т-, Беллавин О-В., Кузнецов A.A., Немзоров Н.И. Некоторые черты строения Тагило-Магнитогорского погружения и динамические условия его формирования по геофизическим данным. Тезисы доклада Уральского металлогенического совещ.- Свердловск, i991.-С.90-91.

15.Алейников А.Л., Беликов В.Т., Беллавин 0.В., Кузнецов А., Немзоров Н-И. Структура центрального типа в фундаменте Русской платформы и вихревой механизм ее образования. Тезисы доклада Всесоюзн. совещ. "Кольцевые структуры и морфоструктуры -теоретические и прикладные аспекты ".-Владивосток, 1991.-с. 57.

16.Беликов В.Т. Фильтрация флюидного раствора в трещиновато-пористой среде. Тезисы доклада Всесоюзн. совещ. "Проблемы -стратифицированных течений. -Канев, 1991. -с. 91.

17.Алейников А.Л., Беликов В-Т., Немзоров Н.И. Общие проблемы разрушения и метаморфизма горных пород //Препринт Института геофизики УрО РАН.-Свердловск, 1991.-65с.

18.Алейников А.Л., Беликов В.Т., Немзоров Н.И., Троянов А-К. Интерпретация наблюдений сигналов акустической эмиссии на Уральс-

:ой сверхглубокой скважине //Геология и геофизика.1992. [6.-С. 118-126.

9.Алейников А.Л., Беликов В.Т., Немзоров Н.И. Акустическая эмис-:ия в гетерогенных средах // Дефектоскопия.1993.-N3. -С.31-36. Ю.Беликов В.Т. Уравнения фильтрации флюида в деформируемой тре-[иновато-пористой среде при наличии фазовых переходов. В кн. Зем-¡ая кора и полезные ископаемые Урала. Екатеринбург, 993.-С.115-119.

!1.Алейников А.Л., Беликов В.Т., Беллавин О.В., Немзоров Н.И., 'зврин И.Ф. Некоторые черты структуры литосферы Урала и протекав-их в ней геодинамических процессов. В кн. Земная кора и полезные юкопаемые Урала. Екатеринбург, 1993.-С.3-9. 2.Беликов В.Т. Распределение напряжений и деформаций в гравити-)ущем шаре / Институт геофизики УрО РАН.- М., 1995.-8с. - Деп. !ИНИТИ 05.07.95, N 2031-В95.

'3.Беликов В.Т. О конвективной неустойчивости в гетерогенной мно-•окомпонентной геосреде / Институт геофизики УрО РАН.- М., 1995.-!с.— Деп. ВИНИТИ 11.07.95, N 2115-В95.

Ч.Беликов В.Т. О термодинамической интерпретации эмпирического юотношения для долговечности твердых тел //Дефектоскопия. 1996.-[1.-С.96-101.

Подписано в печать 14.10.97 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,86. Тираж 100 экз. Заказ № 2679.

Отпечатано в Уральском институте типового проектирования. 620004, г.Екатеринбург, ул.Чебышева, 4.