Проблеми повзучості та в’язкості

Важливим параметром фізичної моделі Землі є в’язкість. Питання існування течій в надрах Землі вимагає до вибору фізичних параметрів, які б визначали закони таких течій. В загальному сенсі ці параметри можна назвати “в’язкістю” земних надр. Але дати чітке визначення в’язкості земних надр ще дуже важко. Простіше дати визначення в’язкості рідких ядер Землі, Венери та Меркурія або в’язкості рідких планет-гігантів. В цих випадках ми маємо справу із звичайною ньютонівською в’язкістю.

Якби кора і мантія складалися із ідеальних кристалів без дефектів, вони б мали міцність, яка б перевищувала міцність реальних порід у 10³ разів. Ще більше значення наявність дефектів в реальних гірських породах має для їх в’язкості. Якби кора і мантія складалися із ідеальних кристалів, то в’язкість їх практично дорівнювала б безкінечності, тобто вони не володіли б властивостями повзучості. Спираючись на данні геології та геофізики, можна стверджувати, що кора і мантія зазнала крупно масштабної течії, в результаті якої її фігура стала наближеною до сфери.

Властивість до повільних напружених деформацій твердих полікристалічних тіл обумовлена наявністю в них “точкових” і лінійних дефектів кристалічної структури – вакансій і дислокацій. Ці дефекти завжди присутні в реальних кристалах. У фізику твердого тіла поняття про теплові дефекти ввів Я.І. Френкель у 1926 р. Він показав, що в стані теплової рівноваги постійно відбуваються процеси утворення дефектів та їх рекомбінація, причому так, що при заданих (р, Т) умовах стала концентрація дефектів увесь час зберігається. Поряд з дефектами за Френкелем велике значення мають дефекти за Шоттки, які частіше називають просто вакансіями (1935 р.). Він встановив, що в одноатомному твердому тілі дефект представляє собою просто вакансію (аніонну і катіонну). В реальному кристалі газ точкових дефектів постійно знаходиться в хаотичному тепловому русі, перемішуючи кристал. Здатність кристалу до перемішування визначається його коефіцієнтом самодифузії. Можливість дифузії у твердих кристалічних тілах показує, якщо в них створити градієнти концентрації вакансій, то вирівнювання цих градієнтів супроводжуватиметься переносом речовини, тобто її течією. У зв’язку з цим в’язкість полікристалів називається дифузною. Дифузну в’язкість відкрили незалежно один від одного Херинг (1950 р.) у США та Набарро (1948 р.) у Англії. Узагальнив дифузну в’язкість на випадок високих тисків і застосував її до фізики мантії Землі Жарков у 1960 р.

Реально дифузна в’язкість може визначати течію речовини при досить високих температурах, коли концентрація теплових дефектів перевищує концентрацію природних домішок атомів, якими “забруднена” будь-яка реальна речовина і при досить низьких дотичних напругах, тобто коли приведені в дію потужніші механізми пластичної течії твердих тіл. Щоб оцінити розподілення дифузної в’язкості в мантії Землі, необхідно передусім відкрити залежність енергії утворення дефектів від тиску.

Оцінка розподілення в’язкості земних надр за будь-якою формулою, поширеною в геофізиці, не дуже надійна через виключно сильну експоненціальну залежність від температури. Але розроблена Жарковим формула визначення в’язкості при низьких тисках володіє тим, що дозволяє оцінити стрибки щільності на фазових переходах. Фізична природа властивості (рис. 1.32) була з’ясована відносно недавно. За сучасними уявленнями, пластична течія кристалічних твердих тіл обумовлена рухом лінійних дефектів (дислокацій) в їх площинах повзання та переповзання дислокацій з одних площин ковзання в інші. Дислокації бувають крайові, вінтові та змішаного типу. Теорію дислокацій досить детально розробили Г. Тейлор, Е. Орован і М. Поляні у 1934 р. Вони зробили висновок, що рух дислокацій через весь кристал представляє собою елементарний акт пластичної деформації. Останні належать до лінійних дефектів кристалу. Наявність дислокації помітно полегшує ковзання верхньої половини кристалу по нижній на одну сталу гратки. Можна сказати, що проходження однієї крайової дислокації в своїй площині ковзання через увесь кристал змішує дві половини кристалу на один просторовий “квант” – сталу гратки.

Другим важливим процесом, пов’язаним з пластичною течією кристалів (або полікристалів), є так зване переповзання дислокації з однієї площини ковзання в іншу. Під цим ефектом розуміють нарощування або зменшення зайвої кристалічної напівплощини в кристалі, в результаті чого дислокаційна лінія переміщується в одну з нижніх площин ковзання або, навпаки, піднімаються в одну з верхніх площин ковзання. Можливі різноманітні взаємодії дислокації, а також процеси народження і анігіляції дислокацій. Але щоб полікристалічне тіло деформувалося як суцільне пластичне середовище (що має місце для силікатів при високих температурах) повинні відбуватися як процеси ковзання дислокацій в їх площинах ковзання, так і процеси переповзання дислокацій. Швидкість процесів переповзання дислокацій визначається швидкістю підводу або відводу матеріалу, яка контролюється дифузією “точкових” дефектів. Дислокаційна в’язкість полікристалу, як і дифузна в’язкість, обернено пропорційна коефіцієнту самодифузії.

Можна зробити висновок про те, що в’язка течія речовини мантії забезпечується в’язкістю та повзучістю речовини під дією відповідних дотичних напруг.

Рисунок 1.32 – Пластична течія порід, визначена за залишковою намагніченістю (за В. Жарковим)

Вище викладене дозволило розробити теорію теплової конвекції, дослідження якої показало, що конвективні течії витісняються в зони з в’язкістю <10²³ пуаз. Коли б вся мантія була охоплена ефективною конвекцією, то розподілення температур в ній простежувалося б вздовж адіабати. Але для такого розподілення температур в’язкість на границі фазового переходу в мантії (l=670 км) приймає значення 2×10²⁷ пуаз та швидко зростає в бік границі з ядром, де стає рівною ~4×10³³ пуаз. Це означає, що речовина мантії не володіє властивостями текучості, а стає до даних з геології та геофізики в протиріччя (щодо еволюції планети).

Тому температури в мантії глибше рівня l=670 км повинні бути вищі за адіабатичних. В цьому випадку мантія по в’язкості розбивається, грубо кажучи, на дві зони – для глибин 100-670 км в’язкість потрапляє в інтервал від ~6,3×10¹⁷ до ~5,5×10²⁰ пуаз, глибше 670 км в’язкість >10²³ пуаз.

Розрахована Жарковим в’язкість належить до рівня напруг –10 бар. Останні досить малі, що б витримувати такі напруги досить тривалий час. Розумною оцінкою для напруг в середній та нижній мантіях є величина ~30 бар. Тоді в’язкості рівномірно зменшуються на порядок, тобто буде >10²² пуаз. Такі значення в’язкості допускають конвективні течії в мантії і відповідно повинні призводити до зниження температур, що, у свою чергу, через сильну експоненціальну залежність в’язкості від температури повинні призвести до різкого росту в’язкості нижньої мантії.

За експериментальними даними, розподілення температур в середній та нижній мантіях необхідно вибрати таким, щоб при рівні дотичних напруг в цих зонах (t ~ 30 бар) в’язкість потрапляла в інтервал ~5,5×10²² – 10²⁴ пуаз. Базуючись на цьому, можна вважати, що температура мантії на границі з ядром ~3400-3500°К.

Розподілення в’язкості та температури дозволяє зрозуміти відсутність надглибоких землетрусів (в мантії відсутні землетруси з глибиною осередка >700 км). Справа, можливо, в тому, що ріст напруг знижує в’язкість, а це призводить до релаксації напруг (напруги зникають за рахунок течій). Щойно в’язкість знижується до <10²² пуаз, зона переходить із статичного стану в конвективний. Починає відбуватися винос тепла і різке пониження температури, що спричиняє повернення мантії у вихідний стан з h>10²³ пуаз [10].

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Склад мантії та її властивості	\|	Характеристика тектоносфери

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.