ГОЛОС ЗЕМЛИ

М. А. Садовский,
академик (АН СССР)
ХиЖ 185

        Один из героев Конан Дойла профессор Челенджер, прославившийся своими приключениями в затерянном мире и в глубинах океана, был убежден, что наша Земля живет, как живут всевозможные ее обитатели, в том числе и мы с вами. Он утверждал, что, как всякое живое существо, Земля порой испытывает боль, и решил использовать это для доказательства своей правоты. Челенджер был уверен, будто поверхность Земли — ее кожа — груба и нечувствительна, но если ее пробить, то можно добраться до болевых точек.

        И вот, герои Конан Дойла начинают работу, подобную той, что ныне идет на сверхглубокой Кольской скважине. Проткнув буром земную кору, профессор Челенджер добился успеха — Земля вздрогнула. Всюду разбушевались землетрясения, сопровождающиеся страшным гулом — голосом Земли.

        Конечно, дальнейшее бурение Кольской скважины, достигшей уже 12 км, не приведет к тем последствиям, которые описаны в романе Конан Дойла «Когда Земля вскрикнула». Нельзя согласиться и с мнением о Земле как о живом организме в привычном для нас понимании. Однако во всякой умной сказке есть свой смысл и правда.

        Важнейший признак жизни — постоянное преобразование энергии в организме. Растения, поглощая энергию Солнца, из минеральных веществ создают органические, которые в свою очередь служат пищей для животных и человека. Переработка энергии, поступающей извне, свойственная всему живому, присуща и Земле. Так, в земной коре мы можем выделить процессы, возникающие под влиянием энергии, поступающей из глубин планеты и космического пространства. Эти процессы обусловливают перемещения земного вещества, порождают тектонические движения, регистрируемые с помощью особых приборов — деформографов и сейсмографов. Это и постоянные микросейсмические колебания, и приливные движения, и многие другие.

        Чтобы понять побудительные причины этих движений, нужно вкратце сказать об особенностях земной коры. Всякий раз, рассматривая обнажения горной породы (рис. 1 и 2), мы замечаем, что она рассечена трещинами на отдельности — блоки.

        И в каком бы масштабе ни взять горную породу, общей характеристикой всегда будет блочность ее строения. В микромасштабе это расчленение на мельчайшие глобулы — кристаллы, в масштабе всей земной коры — расчленение на гигантские блоки в сотни и тысячи километров. Даже на микрофотографии шлифа кварцевого стекла (рис. 3) отчетливо выделяются крупные глобулы, заполненные мелкими, которые в свою очередь сложены из еще более мелких. Иначе говоря, горную породу можно считать системой блоков разного размера, как бы вложенных друг в друга.

        Под влиянием энергии, поступающей извне, и в первую очередь из глубин Земли, в коре и мантии планеты меняются свойства и состояния вещества — идут фазовые переходы, химические превращения, сопровождаемые перемещением вещества. Эти превращения и вызывают тектонические движения в литосфере.

        Блоки земной коры деформируются, в них накапливается упругая энергия. Энергонасыщенность тех или иных блоков может быть и нейтральной, и как угодно близкой к неустойчивости. При дополнительной энергетической подпитке блоки земной коры, достигшие неустойчивости, будут сбрасывать энергию в окружающую среду в виде упругих волн.

        Весьма существенно, что частота этих волн (f_i) зависит от размеров блоков (L_i). Грубо:

f_i = 1/L_i

        Сброшенная энергия воспринимается соседними блоками, увеличивая их энергонасыщенность. Причем наиболее эффективно энергия упругих волн будет впитываться блоками, размер которых равен или близок к габаритам блока, достигшего неустойчивости (эффект резонатора). В результате все большее число блоков какого-то конкретного i-того размера будет приближаться к неустойчивости и излучать упругие волны. В некоторый момент все блоки этого размера сбросят накопленную энергию, которая в основном соберется в объеме блока (i+1)-го масштаба. Потом блоки и этого размера будут насыщаться энергией. Процесс повторится и перейдет в следующий еще больший масштаб — i+2. Так будет до тех пор, пока процесс не остановит естественная граница — поверхность Земли.

        С помощью сейсмографов и деформографов, установленных на поверхности Земли, можно наблюдать такие упругие волны в самых разных частотных диапазонах. Рисунки 4, 5 и 6 и демонстрируют записи колебаний различной частоты на станциях Института физики Земли АН СССР.

        По сути дела эти колебания можно назвать голосом Земли. Его диапазон огромен — от ультразвука до глубокого инфразвука. И Конан Дойл не так уж ошибался в своих фантазиях — Земля все время поет на разные голоса, а иногда при землетрясениях кричит громко и страшно.

        Исследование распределения блоков земной коры по размерам дало далеко не тривиальные результаты. Выяснилось. что в природе не все размеры кусков равновероятны. Природа как бы предпочитает некоторые из них. Оказалось также, что эти «преимущественные» размеры образуют последовательность, подчиняющуюся закономерности, приближенно описываемой выражением:

(L_i+1) / L_i = const = K

где L_i и L_i+1 — соседние преимущественные размеры. Далее было установлено, что постоянная К лежит в пределах 2<К<5, а ее среднее значение близко к 3,5. Опыт показал также, что эти свойства присущи не только кускам горной породы, но, по-видимому, и отдельностям любого твердого материала.

        В таблицах даны примеры отдельностей в горной массе, кварцевом стекле и распределение тел солнечной системы по размерам.

Характерные размеры мелких частиц

        *Реологический взрыв — мгновенное разрушение твердого материала, испытывающего сильное сжа­тие и кручение. При этом поверхность образца дробится на мелкие частицы, разлетающиеся с огромной скоростью.

Характерные размеры горной массы в карьерах

Характерные размеры отдельностей пород на ИНГУРИ ГЭС

Характерные величины тел солнечной системы

        Оказалось, что и небесные тела по величине распределяются крайне неравномерно. Имеются области размеров, в которых вообще нет ни планет, ни спутников, ни астероидов (рис. 7). В иных же областях небесные тела дают сгущения, которые отмечены вертикальными стрелками. Их высота пропорциональна числу тел данной величины. Крупных планет мало, но и они собираются попарно: Земля — Венера, Уран — Нептун, Юпитер — Сатурн.

        Средняя величина К всех таблиц — 3,52. Сейчас нет сколько-нибудь надежных объяснений такому удивительному свойству твердых кусков. Однако едва ли это случайно. Предположим, что таблицы достоверны. Тогда и в голосе Земли должны быть колебания преимущественной частоты. Некоторые данные, подтверждающие это, уже получены.

        Блоки земной коры колеблются со свойственной их размерам частотой, накапливают энергию, поступающую извне, и обмениваются ею с соседями. То есть блоки обладают некоторой свободой и способностью к малым перемещениям. Но ведь из-за изменения расстояний и размеров контактов между блоками будет меняться плотность их укладки, что чревато изменением пористости, проницаемости и других свойств горной породы.

        А из этого следует, что «преимущественные» частоты голоса Земли, обусловленные блочным строением коры, дарят нам возможность активного воздействия на свойства горной породы. В самом деле, с помощью специальных вибраторов мы можем сообщать блокам дополнительную энергию. Подбирая соответствующую частоту вибрирования, можно заставить блоки тех или иных размеров интенсивно поглощать ее. Если вибрировать достаточно долго, можно добиться последовательного возбуждения все более крупных отдельностей. При этом в разных диапазонах частот будут меняться разные свойства горной породы.

        Важно, что этот процесс может идти не только в сторону больших масштабов. Ибо и меньшие неустойчивые блоки, хотя и слабее, все-таки тоже будут реагировать на вибрацию и, теряя устойчивость, излучать волны больших частот. Этот эффект многим известен: при землетрясениях низкочастотные колебания земной коры (доли герц) все-таки сопровождаются звуками — гулом, грохотом. Подобные явления возникают и при движении подземных масс в глубоких шахтах — треск, гул.

        В сущности говоря, вибрационное воздействие на горную породу не новость — давно в ходу метод вибрационной забивки свай, вибрирование для уплотнения породы при возведении плотин, были попытки применения вибрации для увеличения нефтеотдачи пластов и т.п. Однако это лишь отдельные попытки, не объединенные общей идеей. Ныне, как нам представляется, есть все условия для использования вибраций в самых разных областях народного хозяйства. Например, созданы технически совершенные вибраторы значительной мощности — около 20 тонн в одном автоагрегате, испытаны мощные вибромашины, воздействующие на грунт силой в сотни тонн. Созданы и надежные методы слежения за изменением свойств горной породы. И так далее.

        Есть и неотложные технические задачи, решение которых, по-видимому, возможно с помощью вибрирования. К ним в первую очередь можно отнести интенсификацию нефтеотдачи пластов и процессов выщелачивания полезных ископаемых на больших глубинах, устранение газа из угольных пластов, опасных по газу и пыли...

        Конечно, еще предстоит серьезная работа по методике вибрационного воздействия на горную породу. Однако огромны и возможности, открываемые техникой. Например, направленное действие вибрации с помощью так называемых антенн, образуемых группой определенным образом расположенных и автоматически управляемых вибраторов. Это открывает перспективу совместного использования метода вибрирования с такими традиционными приемами, как законтурное обводнение, тепловое воздействие на пласт, применение поверхностно-активных веществ. Здесь вибрирование, существенно меняя свойства самой вмещающей среды (горной породы) и свойства флюидов и газов, ее наполняющих, может стать инструментом управления тепломассо-переносом.

        И в других областях народного хозяйства вибрирование может дать несомненную пользу. Вероятно, оно окажется полезным и при изучении химических реакций в твердой фазе. Может быть, следует попробовать ультразвуковые воздействия при механической обработке материалов. И так далее. И тому подобное.

        В общем, работы впереди много.