Быть готовым к «Дрожи Земли» – 3

Обсуждение: 21
4843
Сергей Яковлев

Автор:

Кандидат технических наук, член Общественной Палаты при Министерстве строительства Администрации Кемеровской области, Директор Ассоциации «СРО «Кузбасский проектно-научный центр»

Можно ли прогнозировать землетрясения на нашей планете и что является их первопричиной?

(Продолжение. Часть первая. Часть вторая)

 

Малоцикловая усталость гранита и базальта земной коры как причина землетрясений

Чтобы ответить на вопрос о формировании зон растягивающих напряжений в срединно-океанических хребтах, проанализируем причины землетрясений и извержений вулканов исходя не из теории тепловых конвекционных потоков, а из законов строительной механики и сопротивления материалов для упруго-пластичных материалов. Следует напомнить, что во всех океанах основные зоны землетрясений находятся между материками (рис. 11) в зоне срединно-океанических хребтов, но в Тихом океане это правило нарушено, и зоны землетрясений, а также самой активной вулканической деятельности, расположены вблизи от границ материков, образуя, так называемое, Огненное кольцо.

 

Image 1

Рис. 11. Основные зоны землетрясений на Земле

 

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ. Срединно-океанический хребет (СОХ) – это горная система на морском дне, образованная (как считается) тектоникой плит. Обычно имеет глубину порядка 2.600 метров и возвышается примерно на два километра над самой глубокой частью подводной котловины. Это место, где происходит раздвигание океанского дна (спрединг) по расходящейся границе плит. Скорость спрединга определяет морфологию гребня срединно-океанического хребта и его ширину. Образование нового океанского дна и океанической литосферы является результатом подъёма мантии из-за расхождения плит. Расплав поднимается как магма на линии слабости между плитами и выходит в виде лавы, при охлаждении образуя новую океаническую кору и литосферу. Первым обнаруженным срединно-океаническим хребтом был Срединно-Атлантический (рис.12 ), который представляет собой спрединговый центр, разделяющий пополам бассейны Северной и Южной Атлантики; отсюда и его название. Большинство океанических спрединговых центров не находятся в центре их котловины, но, несмотря на это, традиционно называются срединно-океаническими хребтами.

 

Image 2

Рис.12. Схема образования Срединно-Атлантического хребта

 

Для анализа причин землетрясений и извержений вулканов представим участки континентальных и океанических литосферных плит над упруго-пластичной мантией в виде условной модели – балки на упругом основании, загруженной вертикальным давлением от собственного веса плит и, для океанических плит, воды, а также горизонтальными нагрузками от приливов. Имеющиеся исследования показывают, что используя эту модель, можно приблизительно вычислить деформации, а также нормальные и касательные напряжения в сечениях литосферных плит. На рис. 13 показаны, полученные при расчётах, амплитуды упругих прогибов балки на упругом основании в случае приложения сосредоточенной вертикальной нагрузки, например, от крупного водохранилища. Соответствующие эпюры изгибающих моментов в балке качественно будут иметь такой же вид.

 

Image 3

Рис. 13. Амплитуда упругих прогибов балки на упругом основании при сосредоточенной нагрузке

 

При действии распределённой нагрузки от собственного веса континентальной плиты (в пределах трёх средних участков) амплитуда упругих прогибов среднего нижнего участка на рис. 13 будет вытянута по горизонтали, а примыкающие к ней соседние верхние участки будут иметь меньшую длину. Крайние нижние участки на рис. 13 показывают амплитуду упругих прогибов океанических плит от вертикальной распределённой нагрузки собственного веса плит и воды. Соответствующий вид будут иметь и эпюры изгибающих моментов в балке.

В верхней части континентальной плиты будут возникать сжимающие напряжения, которые с глубиной будут уменьшаться, постепенно переходя в растягивающие напряжения. Приливы в океанах будут создавать дополнительные сжимающие напряжения в верхней части континентальной плиты, увеличиваясь с глубиной. В плите возникает знакопостоянный цикл сжимающих напряжений. При этом величина сжимающих напряжений от приливов является амплитудой (алгебраической разностью между максимальным и минимальным напряжениями в одном цикле) цикла.

Очевидно, что максимальные сжимающие напряжения и наибольшая амплитуда этих напряжений будут находиться не в верхней части плиты, а на некоторой глубине. При сжатии, как и при растяжении, первоначально из-за малоцикловой усталости в материале литосферной континентальной плиты образуются микротрещины вследствие его разрушения в местах концентрации растягивающих напряжений (там, где нарушена сплошность материала), в направлении перпендикулярном сжатию. При циклическом нагружении микротрещины растут, сливаются и образуют макротрещины, которые в дальнейшем также сливаются и образуют глобальную трещину.

Динамичное образование глобальной трещины в материале литосферной плиты и является землетрясением. Например, в Турции гипоцентры большинства сильных землетрясений находятся на глубине 7-21 км, что достаточно хорошо согласуется с предлагаемой моделью напряженного состояния континентальной литосферной плиты. Землетрясения перед извержениями вулканов также происходят на относительно небольшой глубине в 3-5 км под вулканами, гораздо реже – на глубине до 10 км.

Следует добавить, что процесс разрушения камня от действия циклических нагрузок достаточно хорошо изучен на бетоне (рис. 14), являющимся искусственным каменным материалом.

 

Image 4

Рис. 14. Образование и развитие трещин при сжатии бетонного куба (при наличии сил трения по горизонтальным поверхностям куба и при их отсутствии)

 

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ. Образование небольших трещин (макротрещин), которое предшествует образованию глобальной трещины (самому землетрясению) в базальте или граните литосферной плиты, сопровождается небольшим шумом и слабыми толчками (вибрацией) грунта, которые могут ощущать животные. За несколько дней до сильного землетрясения крысы и змеи начинают покидать свои норы, жабы покидают пруды и другие места обитания, муравьи уходят из муравейников, домашние животные (коровы, овцы, собаки и кошки) нервничают и стараются сбиваться в группы. Дикие животные стараются покинуть опасное место, но домашние животные этого сделать не могут и просто проявляют беспокойство (рис. 15). Исследования показали, что чем ближе к животным находились эпицентры землетрясений, тем заметнее они меняли своё поведение.

 

Image 5

Рис. 15. Многие животные предчувствуют землетрясения

 

Учёные, приверженцы теории тепловых конвекционных потоков в мантии Земли, предполагают, что животные каким-то образом ощущают перепады температур в недрах Земли, которые провоцируют движение расположенных глубоко под нами литосферных плит. Это объяснение, как и вся теория тепловых конвекционных потоков в мантии, выглядит достаточно сомнительным.

Интенсивные землетрясения на протяжении длительного периода времени могут привести к образованию значительных разломов в коре континентальной литосферной плиты. Приливы четырех океанов создают сложное напряжённое состояние в Евразийской континентальной плите (рис. 11), что и приводит к образованию разломов различного направления.

Так, в Анатолийской плите, входящей в состав Евразийской континентальной плиты, имеются два крупных разлома (рис. 16) – Восточно-Анатолийский разлом протяженностью около 700 км и Северо-Анатолийский разлом протяжённостью около 1.500 км. Напомним, что на Анатолийской плите находится, в том числе, и Турция, а высота приливов в Средиземном море достигает 0,4 м.

 

Image 6

Рис. 16. Разломы Анатолийской плиты

 

В средней нижней части океанических литосферных плит (крайние участки на рис. 13) будут возникать растягивающие напряжения от вертикальной нагрузки. От приливов растягивающие напряжения периодически (циклически) возникают во всем сечении литосферной плиты, что приводит к росту растягивающих напряжений в нижней части плиты, где возникает знакопостоянный цикл растягивающих напряжений. При этом величина растягивающих напряжений от приливов является амплитудой (алгебраической разностью между максимальным и минимальным напряжениями в одном цикле) цикла.

Так как со срединно-океаническими хребтами связано лишь 5% из общего числа землетрясений на планете, то, вероятно, амплитуда растягивающих напряжений в океанических литосферных плитах от приливов не велика. Как и в континентальной плите, в океанической плите первоначально из-за малоцикловой усталости в материале плиты образуются микротрещины вследствие его разрушения в местах концентрации растягивающих напряжений. Вследствие роста и слияния микротрещин образуются макротрещины, рост и слияние которых приводит к образованию глобальной трещины, то есть к землетрясению. Через образовавшиеся в океанической литосферной плите трещины начинается подъём лавы из мантии, что и приводит к образованию и росту срединно-океанического хребта.

В рассмотренном случае образование глобальных трещин и, соответственно, землетрясения должны происходить на границе океанических литосферных плит и верхней мантии. Подтверждением этому является то, что исследования глубины гипоцентров землетрясений Арктического региона (море Лаптевых, Евразийский суббассейн, Норвежско-Гренландский бассейн, хребет Рейкьянес и другие), проведённые в начале 2000 годов, показали, что сейсмоактивный слой расположен в пределах верхней мантии Земли на глубине 6-40 км.

(Окончание следует)

При полном и/или частичном копировании данного материала, для последующего размещения его на стороннем ресурсе, обратная, индексируемая ссылка на источник обязательна!

01.11.24 в 14:00
Оценка статьи:
Средняя оценка 5 из 5 | Основано на 2 оценках пользователей
  • Северный Олень
    Северный Олень 01.11.2024 в 17:37 пишет:

    Судя по рисунку опасных зон, я вне опасности, но на всякий случай заведу себе кошку.
    С благодарностью, Олень.

    Ответить
    Федор
    Федор 05.11.2024 в 07:42 пишет:

    А температура? Образцы бетона испытываются при 20+-С. На такой глубине температура с учетом давления - серьёзный фактор. Ускоряет процесс растяжения получается? Предела текучести как металл при плавлении гранит не достигает и вся тряска от процесса разлома и образования трещин в массиве?

    Ответить
    • Сергей Яковлев
      Сергей Яковлев 05.11.2024 в 14:43 отвечает пользователю: @Федор

      Температуры и размеры земной коры и мантии описаны в первой части статьи. По данным на сегодняшний день земная кора и верхняя часть мантии - твердые. Основа континентальной коры - граниты, основа океанической коры - базальты. Именно в них и образуются трещины (от растягивающих напряжений, которые возникают и при сжатии). Базальты имеют прочность при сжатии до 5000 кг/см2, граниты - до 2260 кг/см2. Прочность при растяжении в 30-40 раз меньше. Малоцикловые испытания базальта и гранита не проводились - необходимости, вроде, не было. Температура снижает прочность базальта, вероятно, до 40% (как у базальтовых волокон). Прочность гранита с повышением температуры растет, но при температуре 800 градусов уменьшается почти в три раза. Океанские приливы являются статической (не динамической) циклической нагрузкой для гранитов и базальтов земной коры ( 2 раза в сутки, 60 раз в месяц, 720 раз в год, 7200 раз за десять лет и т.д.). Напряжения от этой нагрузки являются амплитудой циклов. Испытания бетонных образцов при малоцикловых нагрузках показали, что прочность бетона снижается в зависимости от амплитуды цикла и количества циклов. Когда малоцикловая прочность гранитов или базальтов будет достигнута, то образуется микротрещина, затем макротрещина и глобальная трещина - землетрясение. Глубинные трещины - это отдельный вопрос и он уже был рассмотрен в статье ...

      Ответить
      Федор
      Федор 05.11.2024 в 16:28 отвечает пользователю: @Сергей Яковлев

      Весьма познавательно, благодарю! Планетка прям яйцо получается)

      Ответить
      Полианна
      Полианна 05.11.2024 в 16:38 отвечает пользователю: @Федор

      Почему яйцо то?)))

      Кажется при трещинке всё яичко выливается, благо с землей такого не случается….

      Ответить
      Федор
      Федор 05.11.2024 в 17:34 отвечает пользователю: @Полианна

      Это смотря как резко закипает/нагревается) Можете провести эксперимент: два ковша - два яйца.
      В первый ковш наливаете горячую воду, во второй холодную, ставите на полный газ. Бросаете в них по яйцу, записываете наблюдения любым удобным способом ;-) Вываливается кстати далеко не всё яйцо, а часть. Чтоб совсем вывалилось надо наверно минут 20-30 варить и до полного или 50% испарения объёма воды, дабы скорлупа окончательно разрушилась из-за разницы воды и воздуха)

      Тот же самый эффект температурного градиента (если можно так назвать) можно применить, дабы быстро почистить яйцо после варки. Сливаем весь кипяток сразу целиком и тут же под струю холодной воды на 2-3 минуты. Из-за разницы теплопроводности скорлупы и содержимого, а также разницы коэффициента температурного расширения скорлупа "отстанет" от яйца и вуаля - чистить легко)

      P.s. ну и у планеты Земля также, белок (мантия) тем быстрее выходит под давлением и создает силу. ломащую скорлупу (базальты и граниты), чем выше температура, если я понял правильно уважаемого автора)

      Ответить
      Полианна
      Полианна 05.11.2024 в 17:43 отвечает пользователю: @Федор

      Я такие эксперименты регулярно делаю, ну кроме варки в 20 минут разве что))))

      Я просто мысль не сразу поняла, думала мы о сыром яйце)))

      Ответить
      Федор
      Федор 05.11.2024 в 18:02 отвечает пользователю: @Полианна

      Как то так получается, если выкипание воды произвести:

      DSCF6701.JPG

      А так может наша планета изнутри вылезти:

      38212_original.jpg

      Варится наш геоид/эллипсоид изнутри) Причем никто не может дать гарантий, что только с одной точки где-то вылезет, может как и картинке - треснет в Испании, а вылезет у нас ;-) А снаружи - атмосфера да космос) Причём в масштабах температур внизу солнце наверно можно не учитывать даже на экваторе - и привет апокалипсис, причём не факт что там, где жёлтые линии на картине, а может и у нас рядышком жахнуть - см. яйцо 10.gif10.gif10.gif

      Ответить
      Федор
      Федор 05.11.2024 в 18:06 отвечает пользователю: @Полианна

      А, ну и еще сила тяжести ака гравитация вроде пока действует, по крайней мере эллипсоид есть деформированное под движением тело. Интересно, а точки Лагранжа для ядра как близко к поверхности Земли или не особо.....

      Ответить
      Сергей Яковлев
      Сергей Яковлев 06.11.2024 в 04:48 отвечает пользователю: @Федор

      Такие страшилки рассказываете, как будто Вы астролог. Лава поднимается на поверхность только после образования трещин (землетрясениями) под вулканами. Процесс достаточно устоявшийся. И, если трещины образуются под вулканами в Испании, то там и лава пойдет Полианна может спать спокойно. Земная кора, конечно, не везде имеет одинаковую толщину, где-то больше, где-то меньше. Вулканы там, где толщина меньше и расплавленная магма ближе всего подходит к поверхности Земли. Ну, это я так полагаю.

      Да, и яйцо варят в подсоленной воде, чтобы белок не вытекал даже при наличии трещины в скорлупе. А, насчет быстрого охлаждения яйца после варки, Вы правы. Только достаточно и 20 секунд для охлаждения ...

      Ответить
      Федор
      Федор 06.11.2024 в 07:28 отвечает пользователю: @Сергей Яковлев

      Про астролога зачетно) Но нет, слава труду и науке) Судя по рисунку 11, скорлупа всё равно трещит периодически, да еще и по явному паттерну. Где тоньше - там и порвёт. А судя по рисунку 12 - вполне ощутить всё можно будет за несколько десятков, а может и сотен км. Лаву не увидеть, а вот почувствовать - вполне. Надо будет потом по Исландии проверить, как далеко будет ощущаться, если там проснётся вся эта вулканическая бригада - смоет ли при этом Великобританию...

      P.s. кстати, вполне себе такой паровой взрыв может быть, если всё это под водой резко полезет. Температура верхней мантии - 800°С, мгновенное испарение толщи на дне... Уместна аналогия: Теллер когда-то тоже ошибся, что даже хорошо.

      Ответить
      Полианна
      Полианна 06.11.2024 в 12:09 отвечает пользователю: @Сергей Яковлев

      Сергей Кириллович, спасибо за беспокойство))

      Сплю спокойно, аки младенец)))

      Но мало…(((

      Ответить
      Сергей Яковлев
      Сергей Яковлев 07.11.2024 в 05:18 отвечает пользователю: @Федор

      Ответ на вопрос: "Интересно, а точки Лагранжа для ядра как близко к поверхности Земли или не особо.....". Точки Лагранжа следует взять в кавычки, они ведь в космосе. Но, вопрос, конечно, интересный.

      "Самым высоким вулканом на планете считается
      Охос-дель-Саладо в Южной Америке. Он находится на границе Аргентины и Чили и входит в Тихоокеанское
      огненное кольцо. Высота конуса Охос-дель-Саладо — 6893 метра.
      В список самых высоких вулканов планеты также входят:

      Льюльяйльяко (6739 метров, Чили и Аргентина);
      — Сан-Педро (6159 метров, Чили);
      — Котопахи (5911 метров, Эквадор);
      — Килиманджаро (5895 метров, Танзания);
      — Эль-Мисти (5821 метр, Перу);
      — Орисаба (5700 метров, Мексика);
      — Эльбрус (5642 метра, Россия);
      — Попокатепетль (5455 метров, Мексика);
      — Сангай (5230 метров, Эквадор)"

      Выше лава пока подняться не могла ...

      Ответить
      Сергей Яковлев
      Сергей Яковлев 07.11.2024 в 17:49 отвечает пользователю: @Федор

      Уточнение. Высота многих действующих в настоящее время вулканов не превышает 3,5 км. Перечисленные выше очень высокие вулканы, вероятно, извергались в экстремальных ситуациях - при падении астероидов на Землю ...

      Ответить
САМ - АВТОР
Хронология катаклизмов на Земле
Сергей Яковлев
13.12, 14:04 1 432
Памяти Зодчего
Наталья Доценко
12.12, 07:14 1 851
Ох, уж эти особые BIM-сущности!
Евгений Карант
10.12, 12:20 3 1259
Поможем молодым «стать на крыло»
Николай Капинус
10.12, 10:24 17 1464
Хронология катаклизмов на Земле
Сергей Яковлев
06.12, 12:09 3 1950
Говорите, хотели, как лучше?
Добрило Мастеровой
05.12, 16:11 7 2453
СРО vs Смерть. Поединок продолжается
Аркадий Апумчик
05.12, 12:07 4 2233
Говорите, хотели, как лучше?
Добрило Мастеровой
04.12, 15:04 5 2636
Говорите, хотели, как лучше?
Добрило Мастеровой
03.12, 15:11 7 2799
А дальше без пиратов и паразитов!
Евгений Карант
03.12, 12:04 3 2844
Говорите, хотели, как лучше?
Добрило Мастеровой
02.12, 15:08 6 3125
СРО к ногтю!
Инженер-строитель
29.11, 15:09 36 4363
Хронология катаклизмов на Земле
Сергей Яковлев
29.11, 12:04 2 3316
Момент, о котором снова забыли…
Александра Белоус
28.11, 14:56 16 3944