Проблема конвекции в кристаллической мантии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблема конвекции в кристаллической мантии

Ахкозов Ю.Л.

Аннотация

Плюм-плейттектоника, базирующаяся на ложной космолого-космогонической гипотезе и геологической парадигме, ввела процесс конвекции в кристаллическую мантию как причину океанского рифтогенеза, перемещения литосферных плит, субдукции. Проигнорировав принципиальное качественное отличие агрегатных состояний жидкости и кристалла, последний наделили свойством «вязкости» и применили математический аппарат, описывающий «течение вязкой ньютоновской жидкости». Этим способом свободно конвективное течение в жидкости перенесено в кристаллическую мантию, закон Гука подменен законом вязкого трения Ньютона, упругое тело подменено вязкой жидкостью.

Кристаллическое строение вещества обусловливает принципиальное отличие движения частиц среды от таковой в жидкости: в кристаллическом веществе при приложении нагрузки частицы смещаются, но возвращаются назад, не движутся поступательно, колеблются относительно центра - узла кристаллической решетки. В жидкости частицы движутся поступательно, пока приложено сколь угодно малое дифференциальное напряжение. В кристаллическом веществе деформация конечна и пропорциональна нагрузке (закон Гука). В жидкости деформация бесконечна даже при сколь угодно малых дифференциальных напряжениях, так как нет причины (связи между атомами, молекулами отсутствуют) возврата частиц назад, в исходное положение.

В связи с такой физикой, с таким типом движения частиц жидкости обладают «нулевым статическим модулем сдвига», и именно поэтому текут. Кристаллическое вещество даже вблизи температуры плавления не обладает нулевым модулем сдвига, через мантию проходят как продольные, так и поперечные волны (что указывает на кристаллический тип межатомного взаимодействия), поведение ее вещества нельзя описывать терминами реологии (вязкий, текучий), но следует описывать соответствующими законами физики, а именно законом Гука. Конвекция как перемещение больших масс сплошной среды по механизму вязкого течения ньютоновской жидкости является применительно к кристаллической мантии ложной моделью.

Ключевые слова: мантия Земли, агрегатное состояние мантийного вещества, конвекция, закон Гука.

Анотація

плейттектоника космогонический мантия литосферный

Ахкозов Ю.Л. Проблема конвекції в кристалічній мантії.

Плюм-плейттектоніка, яка базується на помилковій космолого-космогонічній гіпотезі та геологічній парадигмі, ввела процес конвекції в кристалічній мантії як причину океанського рифтогенезу, переміщення літосферних плит, субдукції. Проігнорувавши принципово якісну відмінність агрегатних станів рідини й кристалу, останній наділили властивістю «в'язкості» та застосували математичний апарат, який описує «течію в'язкої ньютонівської рідини». Цим способом вільна конвективна течія в рідини перенесена в кристалічну мантію, закон Гука підмінений законом в «язкого тертя Ньютона, пружне тіло підмінено в'язкою рідиною.

Кристалічна будова речовини обумовлює принципову відмінність руху частинок середовища від такої в рідині: в кристалічній речовині при додатку навантаження частинки зміщуються, але повертаються назад, не рухаються поступово, коливаються щодо центру - вузла кристалічної гратки. В рідині частинки рухаються поступово, поки докладена як завгодно мала диференційна напруга. В кристалічній речовині деформація кінцева й пропорційна навантаженню (закон Гука). В рідині деформація нескінченна навіть при як завгодно малих диференційних навантаженнях, тому що немає причини (зв'язки між атомами, молекулами відсутні) повернення частинок назад у початкове положення.

В зв'язку з такою фізикою, з таким типом руху частинок рідина має «нульовий статичний модуль зсуву», і саме через це тече. Кристалічна речовина навіть поблизу температури плавлення не має нульового модулю зсуву, через мантію проходять як поздовжні, так і поперечні хвилі (це вказує на кристалічний тип міжатомної взаємодії), поведінку його речовини не можна описувати термінами реології (в'язкий, текучий), але слід описувати відповідними законами фізики, а саме законом Гука. Конвекція як переміщення великих мас суцільного середовища за механізмом в'язкої течії ньютонівської рідини є стосовно кристалічної мантії помилковою моделлю.

Ключові слова: мантія Землі, агрегатний стан мантійної речовини, конвекція, закон Гука.

Abstarct

Akhkozov Yu.L. Probleme of convection in crystalline mantle.

Summary. Plume plate tectonics being based on the false cosmological-cosmogonic hypothesis and geological paradigm, introduced the convection process into the crystalline mantle as a cause of ocean rifting, lithospheric plate movement, subduction. Ignoring the fundamental qualitative difference between the aggregate state of the liquid and the crystal, the latter was endowed with the property of «viscosity» and a mathematical apparatus describing the «flow of a viscous Newtonian fluid» was used. In this way, the freely convective flow in the liquid was transferred to the crystalline mantle, Hooke's law was substituted by Newton's viscous friction law, and the elastic body was substituted by a viscous fluid.

The crystalline structure of the substance determines the fundamental difference between the motion of particles of a medium and that in a liquid: in a crystalline substance, when the load is applied, the particles are displaced, but come back, do not have translatory movement, they oscillate as relative to the center which is the crystal lattice site. In a liquid, particles move progressively all while an arbitrarily small differential strain is applied. In crystalline matter, deformation is finite and proportional to the load (Hooke's law). In a liquid, deformation is infinite even at arbitrarily small differential strains, since there is no reason (as there are no bonds between atoms and molecules) for the particles to return back to their original position.

In connection with this physics, with this type of particles motion, fluids have a «zero static shear modulus,» and this is why they flow. Crystalline matter even near the melting temperature does not have a zero shear modulus, both dilatational and transversal waves pass through the mantle (indicating a crystalline type of interatomic interaction), the behavior of its substance cannot be described in terms of rheology (as viscous, fluid), but it should be described by the relative laws of physics, namely, Hooke's law. Convection as the movement of large masses of a continuous medium by the mechanism of viscous flow of Newtonian fluid is a false model in relation to crystalline mantle.

Key words: mantle of the Earth, state of aggregation of mantle matter, convection, Hooke's law.

Основная часть

Ложная космолого-космогоническая парадигма [1-4] с неизбежностью привела к возникновению фундаментальных геологических проблем в части не только вещественного и энергетического (теплового) наполнения геологических явлений и процессов, но и в обосновании реальности существования последних.

Рифтогенез на континентах и в океанах (спрединг) однозначно объясняется расширением Земли, но это явление запрещено принятой космогонической гипотезой. В рамках последней, т.е. при постоянной массе и объеме Земли, придумали вариант решения проблемы (объяснение явлений спрединга и субдукции): ввели процесс конвекции в мантии - в кристаллическом веществе. У. Файф, Н. Прайс, А. Томпсон [13, с. 14] пишут: «…используя аппарат статистической механики в приложении к проблеме высвобождения атомов из их позиций в кристаллической решетке и последующей миграции в участки с пониженными напряжениями или энергиями внутри тела, можно показать, что кристаллическое вещество будет течь… даже в случае приложения сколь угодно малых дифференциальных напряжений любое вещество должно деформироваться с некоторой конечной скоростью». Пример того, как кристаллическое вещество можно сделать жидкостью, пример нивелирования принципиальных качественных отличий агрегатного состояния вещества. Уровень абстрактности, косвенности метода описания «высвобождения атомов из их позиций в кристаллической решетке» - характеристика соответствия применяемого метода природному процессу, явлению. Формула, показывающая, «что кристаллическое вещество будет течь», содержит скорость деформации и дифференциальное напряжение, из которой следует, что кристалл течет при любой малой нагрузке, и, если умножить это мизерное перемещение атомов на геологическое время, атомы уже попадают из нижней мантии в верхнюю. Если не применять «аппарат статистической механики», величина деформации кристалла будет соответствовать приложенной нагрузке (подчиняться закону Гука), то есть если «приложить сколь угодно малое дифференциальное напряжение», он упруго деформируется, и деформация остановится, если напряжение не соответствует уровню пластической или хрупкой деформации. Кристалл деформируется в связи с приложенной нагрузкой не только с «конечной скоростью», но и с «конечной величиной». Авторы приложили к этому отрезку деформации «аппарат статистической механики», получили скорость деформации и объявили, что он описывает весь процесс деформации. В этом смысл подмены закона Гука законом течения ньютоновской жидкости. Кристаллическое строение вещества предопределяет принципиальное отличие движения частиц среды от таковой в жидкости (и в газе): в кристаллическом веществе при приложении нагрузки частицы смещаются, но возвращаются назад, не движутся поступательно, колеблются относительно центра - узла решетки. В жидкости частицы движутся поступательно, пока приложено «сколь угодно малое дифференциальное напряжение». Отсюда в кристаллическом веществе деформация конечна и пропорциональна нагрузке (по закону Гука). В жидкости деформация бесконечна даже при «сколь угодно малых дифференциальных напряжениях», так как нет причины (связи между атомами, молекулами разорваны) возврата частицы назад, в исходное положение. Реальность «высвобождения атомов из их позиций в кристаллической решетке» оказалась завуалированной. Силой, причиной, отрывающей атомы из их позиций в кристаллической решетке и приводящей к их перемещению, оказалось дифференциальное напряжение и… время.

Известные природные агенты отрыва атома из решетки кристалла - химическая реакция его растворения, термическая возгонка или плавление. Давление в этом смысле играет противоположную роль, дифференциальное напряжение может приводить к отрыву и перемещению, но не отдельных атомов, а частей, блоков кристаллической решетки - явление, известное как пластическая деформация. Механизмы пластической деформации, соответственно, «аппараты описания», нельзя подменять механизмами течения жидкости, даже если она высоковязкая. Далее авторы пишут: «Таким образом, вопреки интуитивным ожиданиям, любые кристаллическое материалы в реологическом смысле можно рассматривать в качестве жидкости». «Ожидания» относительно кристаллического вещества вовсе не интуитивные, а соответствуют закону Гука. Пример утверждения, которым, авторы, нарушив соответствие метода исследования природному явлению, протащили в геологию «троянского коня» с абсолютно виртуальной конструктной валидностью.

Использование для описания деформации кристаллического вещества скорости и времени позволило утверждать [13, с. 16]: «Реологически многие породы ведут себя как твердые тела при мгновенной деформации и как жидкости при медленной деформации». Утверждение неверное, так как для кристаллического вещества при медленной деформации, связанной с малой дифференциальной нагрузкой, приводящей к «некоторой конечной скорости» надо добавить «некоторую конечную величину» деформации. Такое ложное введение в кристаллическую мантию Земли конвекции, ставшей основой геотектоники, магматизма и всей геологии, вызывает сомнение относительно утверждения О.Г. Сорохтина [11] о том, что природа рифтовых зон, образование океанской литосферы и срединно-океанических хребтов, процесс раздвижения литосферных плит в стороны от этих зон «самым естественным образом» объясняются с позиций тектоники плит и «полностью согласовано со строгими законами физики». Характер движения частиц в кристаллическом веществе, обладающем дальним порядком в структуре, («колебательный»), принципиально отличается от такового в жидкости («колебательнопрыжковый») и в газе («баллистически - столкновительный»), в которых дальний порядок в структуре отсутствует [5]. Именно в связи с такой физикой, с таким типом движения частиц жидкость и газ обладают «нулевым статическим модулем сдвига» и именно поэтому текут. Кристаллическое вещество даже вблизи температуры плавления (растворения, испарения) не обладает нулевым модулем сдвига. Через мантию проходят как продольные, так и поперечные волны, поведение ее вещества нельзя описывать терминами реологии (вязкость, текучесть…) и должно описываться соответствующими законами физики, а именно законом Гука.

С верой в наличии конвекции в мантии получило распространение крайне упрощенное ее обоснование. Например, В.П. Трубицын, В.В. Рыков [12] писали «…в полутвердом состоянии вблизи температуры плавления находятся и тугоплавкие силикаты в большей части мантии. Поэтому они способны течь подобно высоковязкой жидкости». «Полутвердые» кристаллы - субстанция интересная, так как кристалл, пока не растворится, не расплавится или не испарится, остается твердым кристаллом, атомы в нем, даже при крайне интенсивных колебаниях «вблизи температуры плавления», остаются в узлах кристаллической решетки. Перемещение отдельных атомов в кристаллическом веществе называется диффузией, а отдельных блоков атомов (фрагментов кристаллической структуры) - пластической деформацией. Это самостоятельные физические явления (процессы, свойства), описываются соответствующим математическим аппаратом и не являются «реологическими свойствами» вещества, их нельзя приравнивать к «вязкости».

У А.А Кирдяшкина и А.Г. Кирдяшкина [7] читаем: «В настоящее время для перидотитовой верхней мантии экспериментально найдены реологические границы проявления упругих и вязких свойств мантийного вещества в зависимости от Р-Т условий» и далее выясняется, в чем заключается указанная граница. Перидотит при определенных Р-Т условиях может «переходить в вязкое состояние (сухой крип)». «Сухой крип» не обеспечивает «вязкое состояние» кристаллического вещества. Термин «крип» описывает макроскопическую пластическую деформацию геологических тел (медленное смещение, сползание), но без определения физического механизма этого смещения. При переходе на микроуровень, при описании деформации кристаллической решетки, механизмами деформации кристалла оказываются механизмы пластической деформации, имеющие строгий физический смысл и соответствующий математический аппарат описания. На кристаллическом уровне термин «крип» становится излишним, приобретет неопределенный смысл и свободное понимание с нечеткими границами применения. Однако его применение для описания деформации кристаллического вещества дает возможность перейти к «текучести» и «вязкости» и наделить кристалл свойством «вязкости». Такой переход позволяет параметры, полученные в экспериментах с перидотитом, рингвудитом, а это система пластической деформации, вводить в эксперименты по моделированию конвекции в масле, являющемся системой вязкого течения, и далее строить виртуальные модели деформации уже вязкой мантии, как доказательство наличия процессов конвекции и субдукции в ней. В [7, с. 40] результаты экспериментов с трансформаторным маслом и результаты экспериментов с перидотитами сделали физически эквивалентными: «Данные экспериментальных исследований реологии одного из основных минералов верхней мантии - рингву - дита и реологии перидотитового вещества… указывают на возможность использования в первом приближении модели вязкой жидкости при анализе течений в слое С, астеносфере и движения большей части литосферной плиты, погружающейся в зоне субдукции. Это позволяет, учитывая имеющиеся результаты лабораторного и теоретического моделирования верхнемантийных свободноконвективных течений, построить схему течений как на океаническом, так и на континентальном крыле зоны субдукции, представляющую свободноконвективные течения в астеносфере, слое С и нисходящее течение субдуцирующей плиты, а также основные силы, действующие в субдукционной зоне». Таким способом свободноконвективное течение в масле перенесено в кристаллическую перидотитовую мантию.

В.П. Мясников, В.Е. Фадеев [9], рассмотрев разные модели конвекции, указывали, что термическая конвекция недостаточна для адекватного описания процессов эволюции сфер Земли. Авторы считали, что принятие той или иной реологии несущественно, принципиальным является только вопрос, считать вещество мантии вязким или нет. Вопрос авторов действительно принципиальный, поскольку речь идет о кристаллической среде, и разные механизмы деформации кристаллического вещества и жидкости должны описываться соответственно. Однако, правильно указав на проблему, авторы в дальнейшем разрабатывали «вязкую модель», так как в рамках принятых космогонической и геологической парадигм другого, более приемлемого варианта они не видели.

Показательно также то, что во всех моделях конвекции, несмотря на их существенные различия, «сравнение виртуального эволюционного процесса, полученного в рамках этих моделей, со многими данными исторической геологии, геохимии и геофизики показывают их удивительно хорошее согласие» [8, с. 39]. И это понятно: «…мы были вынуждены провести много предварительных экспериментов, перебирая как различные начальные состояния, так и разные значения определяющих параметров модели…. в ходе перебора различных начальных состояний найти наиболее интересный для приложений случай, адекватный земной эволюции» [8, с. 34]. И далее «Плюмы всплывают наверх, как будто не замечая мантийную конвекцию (как такое возможно - остается загадкой)».

Эта загадка - результат того, как, «используя аппарат статистической механики… можно показать, что кристаллическое вещество будет течь». Будет течь, если кристаллы «полутвердые», или представляют «вар» (аморфное вещество), но «загадочно». Кроме плейт - тектонистов и петрологов, геологи вряд ли смогут принять это подобранное «хорошее согласие» и применить его к конкретному геологическому объекту. Например, используя такие положения, как «у аваланшей и плюмов нет своей внешней границы, и в роли последней выступают ближайшие чужие конвективные границы, а тектоника плюмов оказывается вмонтированной в тектонику плит посредством общих (для плюмов внешних) границ», «уходящими глубоко в мантию корнями континентов», «кладбищами слэбов», «дайвингом в зоне спрединга» и «апвелингом в зоне суб - дукции» и т.п., совершено невозможно согласовать составы «мантийного источника» и выплавляемых из него расплавов с геологической эволюцией конкретного участка земной поверхности. Состав магмы задается составом неоднородности «мантийного источника» и причинно не связан с поверхностными структурами, т.е. не должен коррелировать с их особенностями, с любыми формами геологического районирования. Но фактически такая связь однозначно намечается, что указывает на неконструктивность модели плюмплейттектоники - в ее рамках невозможно по геологическим структурам земной коры прогнозировать состав магмы, флюида, их рудоносность.

Использование методологического подхода, подобного «аппарату статистической механики» - это операция, подменяющая упругое тело вязкой жидкостью. Кристаллическое вещество нельзя приравнивать к ньютоновской жидкости, оно не обладает такими свойствами жидкости как «колебательно-прыжковые», «баллистически-столкновительные» (по терминологии В.В. Бражкина [5]) перемещения атомов в пределах кристалла и в пределах кристаллического вещества. Для такого движения химические связи между атомами в кристалле должны быть разорваны. Последнее происходит при растворении, испарении, плавлении, но этого нельзя сделать «используя аппарат статистической механики» даже «вблизи температуры плавления». Приписывать вязкость кристаллическому веществу и, соответственно, принимать возможность конвекции в нем, означает игнорировать межатомные взаимодействия в веществе мантии, игнорировать физику природы. Однако наблюдаемые достаточно высокие скорости сейсмических волн в мантии, в первую очередь поперечных, указывают на наличие здесь вещества с далеко не нулевым статическим модулем сдвига, чтобы применить «ньютоновскую жидкость» к мантии, и указывают на кристаллический тип этого межатомного взаимодействия.

В свете вышеизложенного показательным примером является статья Т.В. Рузмайкиной [10]. В связи с выявлением смещения орбит искусственных спутников Земли были предприняты попытки объяснения этого явления.

Расчеты показали, что квадрупольный момент Земли приблизительно на 0,5% больше теоретического для модели, предполагающей, что вещество Земли находится в состоянии гидростатического равновесия при современной скорости вращения. Оказалось, что Земля негидростатически сплюснута. На основе представлений о физических свойствах вещества мантии исследователи видели причину существования избыточного квадрупольного момента Земли в высокой вязкости ее вещества - она не позволяет Земле принять равновесную форму при замедлении вращения. Дискуссия развернулась о величине этой вязкости. Но в итоге [10] делает вывод, что отличие распределения плотности вещества внутри Земли от гидростатически равновесного указывает на негидростатический квадрупольный момент Земли. Если не приписывать кристаллическому веществу свойств вязкости, то в данном случае «негидростатический» означает «невязкий». Мантия кристаллическая, упругая - отсюда «Земля негидростатически сплюснута». Ложная идея придания кристаллическому веществу свойств вязкого тела - «ньютоновской жидкости», привела к модели «гидростатического равновесия» и к соответствующим ложным следствиям. Кристаллическое вещество не обладает свойством вязкости, оно может деформироваться упруго, пластично, хрупко, а отличие величины его квадрупольного момента от такого же показателя вязкой модели (от гидростатического равновесия), его избыточная величина указывает на упругое состояние мантии, на упругую ее деформацию, не позволяющую принять равновесную форму. У вещества мантии нет свойства, а именно вязкости, которое обеспечило бы гидростатически равновесное перераспределение в ее пределах плотности.

К этому добавим результаты более ранних геофизических исследований. В.Н. Жарков, В.А. Магницкий [6, с. 17] указывали, что изучение собственных колебаний Земли явилось одним из крупнейших достижений геофизики 60-х годов. «Результаты расчетов оказались в прекрасном согласии с наблюдениями; это еще раз подтвердило то, что современные «реальные» модели Земли близки к истинным». При этом прогнозные расчеты параметров собственных колебаний Земли выполнены для «упругой сферы» на основе «теории упругости». Другими словами, оказывается, что реальная модель Земли является моделью упругого тела. Но далее авторы принимают предположение, что области земных недр глубже 50-70 км с достаточно разогретым веществом «при сверхмедленных деформациях, вероятно, текут как жидкость.» Однако к тому времени уже было установлено «аномально слабое затухание радиальных колебаний Земли (2и ~ 10000)» [6]. Возникает вопрос, эта аномалия характеризует изменение упругих или вязких свойств вещества недр с глубиной? Измеряются скорости распространения упругих колебаний, скорости сейсмических волн - это характеристика упругих свойств среды и из этих данных выводить параметры вязкой среды методически не верно. Но упругость мантии исключает «движение больших сплошных масс вещества» в ней - основу тектонических движений и геосинклинальной гипотезы (диапиризм, адвекция, подъем астенолитов), и тектоники плит (конвекция, субдукция, плюмы). Поэтому интуитивно, в рамках принятых космогонической гипотезы и геологической парадигмы исследователи не рассматривали тектоническую роль упругой мантии. Указанные движения возможны только при наличии вязких свойств вещества мантии, откуда теоретическая мысль пошла по пути, похожем на компромисс: приняли «сверхмедленную деформацию» высоковязкого, как-будто бы упругого вещества, тогда оно может «течь как жидкость». Как показано выше, такой «компромисс» не соответствует объекту исследования - кристаллической мантии.

Конвекция как перемещение больших масс сплошной среды по механизму вязкого течения ньютоновской жидкости применительно к кристаллической мантии является ложной моделью.

Литература

1. Ахкозов Ю.Л. Расширяющаяся Земля или дополнение к существующей космогонической гипотезе // Геолого-мінералогічний вісник Криворізького національного університету. - 2007. - №1 (17). - С. 91-102.