Страница 8 из 15
Рис.5 Магнитострикция
Радиолиз.
Разложение химических соединений под действием ионизирующих излучений в результате протекания радиационно-химических реакций. При радиолизе могут образовываться как свободные радикалы и ионы, так и отдельные нейтральные молекулы, вызывающие процессы деструктивного характера, протекающие при поглощении веществом энергии ионизирующего альфа-излучения. Альфа-излучение - это ядра атомов гелия, которые положительно заряжены. Естественное испускание характерно для неустойчивых радионуклидов рядов тория, урана. Альфа-частицы вылетают из ядра со скоростью до 20 тысяч км/сек. Они образуют сильную ионизацию среды, отрывая электроны из орбит атомов. Помимо свободных радикалов и ионов, которые сами по себе способны включить процесс цепной химической реакции, в результате радиолиза образуются углеводородные продукты, которые вносят свою лепту в процесс подвижек земной коры. Хорошим примером радиолиза под действием альфа - излучения может служить распад молекулы воды, которой предостаточно в земной коре, по следующей схеме: под действием излучения из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженный ион воды:
γ→Н2О →е- + Н2О+ (9)
"Вырванный" электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды:
е- + Н2О → Н2О- (10)
Ионы воды, которые при этом образовались, в свою очередь диссоциируют с образованием свободных радикалов водорода и гидроксида
(Н∙ ОН∙): Н2О+ → Н+ + ОН∙; Н2О-→ Н∙ + ОН- (11)
Срок жизни свободных радикалов - доли секунды, в течение которых наступает рекомбинация и восстановление нормальных молекул воды. Однако в результате исключительной реактивной способности в эти короткие промежутки своего существования свободные радикалы воды дают толчок другим реакциям, развивающимся по цепному самоускоряющемуся типу, а также, что особо важно для нас, к нарушению ее кристаллической структуры. То есть возникает радиастрикция, или деформация горного массива под действием радиации. Учитывая то, что носители радиоактивности широко распространены в земной коре и то, что радиолиз может радикально смещать равновесие химических реакций, инициировать и катализировать прохождение различных процессов, то нам следует признать, что радиолиз вполне может и является одним из потенциальных виновников спускового крючка подземных толчков.
Электромеханические эффекты
Пьезоэффект
Один из эффектов этого класса - пьезоэффект. О нём все всё давно знают, этот процесс изучен вдоль и поперёк, но почему-то (почему?) считается, что он никак не способен повлиять на такие мощные процессы, как подземные толчки. Но, важен не сам пьезоэффект, а то, что это ещё одно практическое доказательство возникновения электрических и магнитных полей в горном массиве, способных не только вызвать появление электрического заряда, но и способность горного массива деформироваться и в процессе деформации изменять свои геометрические параметры. Как мы знаем, существуют два взаимообратных пьезоэффекта: Прямой пьезоэффект возникает в том случае, когда упругая деформация кристалла ассиметрично искажает распределение положительных и отрицательных зарядов в структуре твёрдого тела, в результате чего возникает общий дипольный момент, те сеть возникает поляризация твёрдого тела. Как итог появляется электромагнитное поле. Обратный пьезоэффект возникает в массиве в том случае, когда внешнее электромагнитное поле вызывает искажение его размеров, проявляющееся в виде его деформации.
5.4.2. Пироэлектрический эффект
Следующий из эффектов этого класса - пироэлектрический эффект. Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной или спонтанной поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые появляются на поверхности пироэлектрика из его объёма и из окружающего пространства. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами. Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при механической деформации. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов.
5.4.3 Сегнетоэлектрический эффект
Следующий эффект этого класса - сегнетоэлектричество, или явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которое может быть переориентировано его приложением. Сегнетоэлектрики отличаются от пироэлектриков тем, что при определённой температуре их кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация пропадает. При возникновении спонтанной поляризации сегнетоэлектрики обладают выраженным аномалиям электрических и других свойств, и в них при температуре ниже точки фазового перехода возникают спонтанные деформации и понижается симметрия решетки.
Эффект генерации электрического заряда при кристаллизации элементов горного массива
При соприкосновении двух тел, состоящих из различных веществ либо из одного вещества, но в разных фазах, на их границе возникает электрический заряд. Известно, что большинство примесей не передаются кристаллу, когда он начинает расти. При этом примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Можно ожидать, что, вследствие различий в подвижности ионов разных фаз горного массива, при кристаллизации и перекристаллизации элементов массива, будет происходить сепарация ионов, а в результате - его электризация. Такое представление было выдвинуто Воркменом и Рейнольдсом [17], которые наблюдали электризацию при кристаллизации льда, но еще в 1942 г, Рибейро установил, что это справедливо не только для льда, но для органических диэлектриков и других материалов. Необходимо заметить, что процессы кристаллизации элементов горного массива предшествуют и сопровождают все виды землетрясений, за исключением обвальных, техногенных и динамических проявлений в шахтах. Возникновением электрического разряда при кристаллизации льда можно объяснить происхождение морозобойных землетрясений, а процессами кристаллизации пород горного массива можно объяснить вулканические и глубокофокусные землетрясения.
Сущность приведённых выше эффектов сводится к тому, что помещенные в электрическое поле породы массива начинают взаимодействовать с ним в зависимости от свойств пород и интенсивности поля. При наличии свободных зарядов - электронов или ионов, они начинают перемещаться, т.е. появляется электрический ток. Обратный процесс происходит при деформации пород. В породах, не обладающих свободными зарядами, происходит либо смещение внутренних связанных зарядов и неполярные электрически нейтральные молекулы становятся полярными, либо происходит ориентирование молекул, обладающих дипольным моментом. То есть происходит поляризацией породы со всеми вытекающими из этого последствиями - в горном массиве начинаются происходить деформации, которые аномально усиливают друг друга, вызывают другие реакции горного массива и вполне могут послужить спусковым крючком землетрясения, горного удара или внезапного выброса. А то, что порода может прекрасно служить проводником электрического тока, было доказано много раз. Например, Ф.Т. Фройнд [F.T. Freund], поставил опыт [18], который показал, что горная порода фактически является проводником. Проводимость породы, подверженной механическому удару или напряжению, увеличивается во много раз. Его опыт Рис.6 показал поведение образца породы (гранит - пурпурный прямоугольник) под действием механического возбуждения ("удар" - жёлтая стрелка, жёлтая вертикальная линия). Электрический ток (синяя кривая) измерялся между электродом (красный прямоугольник) и тремя катушками (оранжевый, зелёный и синий прямоугольники).