Ритмы гелиевого дыхания Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Ритмы гелиевого дыхания Земли

Поверхность, на которой продуцируется поток гелия, контролируется границей МОХО. Его дальнейшее распределение определяется структурными особенностями литосферы и, в первую очередь, зонами трещиноватости и разломной тектоникой.

В Прологе к «Тайной доктрине» Е.П. Блаватская, ссылаясь на свою «Разоблачённую Изиду», пишет:

· Выдыхание «Непознаваемой Сущности» рождает мир, а вдыхание заставляет его исчезать [1].

Сегодня эта красивая идея самым серьёзным образом обсуждается и физикой. Речь идёт о расширении и последующем сжатии Вселенной [6]. Цикл от Большого взрыва некой сингулярности до появления новой сингулярности. Ну чем не точки альфа и омега в Апокалипсисе и Универсуме Шардена [8].

Расширение и сжатие происходит во времени и пространстве. Время ритма «вдох-выдох», так или иначе, связано с линейными размерами «Непознаваемой Сущности». Принимая эту связь за постулат, можно обсуждать некую временную напряжённость Е(с/м), как градиент времени T по координате X.

Человек - элемент Вселенной. Он тоже дышит. Современная медицина уже поняла, что настрой дыхания - это настрой внутреннего ритма жизни человека на ритм природы. У здорового человека в спокойном состоянии этот ритм оценивается 14-18 вдох-выдох в минуту. Для оценок напряженности возьмём среднюю величину - 16.

Средний рост современного человека составляет 185 см (1,85 м). Нетрудно получить частоту нашего дыхательного ритма (н) :

н = 60 с/16 = 3,75 с - один вдох-выдох за 3,75 секунды.

Очевидно, что временная напряжённость Е окажется равной:

Е = 3,75 с/1,85 м = 2,03 с/м

В 2009 году ЗАО «Актуальная геология» по инициативе генерального директора Чистякова Виктора Борисовича на Комсомольском и Средне-Назымском месторождениях Западной Сибири провело уникальную серию наблюдений за содержанием гелия на устьях нескольких скважин (см. рис.1).

Результаты показали, что гелиевые выбросы носят чётко выраженный ритмичный характер. Цикл увеличение-максимум-уменьшение в течение декады оказался приблизительно равным одним суткам (рис.1).

Применив к этим материалам идею постоянства для Земли временной напряжённости и её величину по дыхательному ритму человека, нетрудно получить результаты, удивительные, но, вообще говоря, ожидаемые по своей сути:

· Ритм по гелию - 1 сутки (86400 с).

· Задача - вычислить некий линейный размер (hНе) по данным временного ритма гелия 86400 (с) и временной напряжённости дыхания человека Е 2,03 с/м:

86400 с/hНе = 2,03с/м

hНе = 42500 м = 42,5 км.

Цифра 42,5 км хорошо огласуется с современными представленями о глубинах нахождения поверхности Мохоровичича для континентов в районе платформ.

Структурная схема поля гелия в земной коре

Источники гелия

В известной работе Веры Прокофьевны Якуцени [10], которую сегодня можно оценивать, как классический труд, приводится обширная информация по геологии гелия. Из неё следует, что практически весь гелий имеет радиогенное происхождение и основными источниками его образования для Земли являются уран, торий и самарий.

Предварительно анализируя расчёты других авторов, она приводит собственные оценки интенсивности продуцирования гелия различными геосферами нашей планеты. Для рассматриваемой нами задачи эти источники пространственно можно разделить на две группы: внешние и внутренние (относительно земной коры).

Внешние

Поступление снизу

Гелий, образующийся всей массой ядра - 69,1327 · 107 г/год.

Гелий, образующийся всей мантией Земли - 19,9871· 107 г/год.

__________________

Всего: 89,1198 107 г/год.

Эти цифры в значительной мере условны. По большому счёту мы не знаем, значений главных параметров, которые использованы в вычислениях. Например, в примечаниях к ним В.П. Якуцени указывает, что содержания урана и тория для ядра принимались на основании данных о составе железных метеоритов, самария в ядре, а также урана, тория и самария в мантии - по данным о составе хондритов. А это означает, что, при вычислениях эксплуатировалась теория метеоритного происхождения Земли О.Ю. Шмидта предполагающее её холодное начало. Собственно, об этом она прямо говорит, разбирая составляющие баланса гелия на Земле. Но сегодня существуют и другие взгляды, например, модель С.П. Кларка (мл.), К.К. Турекьяна и Л. Гроссмана [4,5], основанная на представлениях о конденсации изначально горячей газовой туманности.

Величины мощностей ядра, мантии, средних плотностей, естественно, получены тоже на основании косвенных измерений, в основном геофизического толка. Эти цифры можно обсуждать, критиковать, но что-то другое предложить пока мы не в состоянии.

Второй вопрос, который возникает при рассмотрении генерации гелия в центральных оболочках Земли, пожалуй, ещё долго останется без ответа:

· Образующийся гелий целиком уходит в земную кору, или определённая его часть остаётся в ядре и мантии, каким-то образом накапливаясь в материнской субстанции.

Авторы различных оценок появления гелия в нижних геосфрах, повидимому, считают, что весь гелий покидает области своего рождения.

Тогда, вслед за ними, можно допустиь (принять), что этот поток стационарен и равномерен.

Поступление гелия сверху

Это гелий космического происхождения. Его поступление в атмосферу В.П. Якуцени связывает с метеоритной пылью, космическими телами, космическим излучением. Суммарное его количесво она оценивает величиной:

2,74·108 + 7,07·104 см3 /год ? 5,5 ·104 г/год.

Обратим внимание, что в сравнении с радиогенным поступлением это величина существенно меньше.

Внутренние (продуцируемые в самой земной коре)

В этом вопросе резонно снова обратиться к работе В.П. Якуцени [10] с тем, чтобы сохранить общность подхода, условий и принятых допущений.

Общее образование гелия всей массой земной коры она оценивает цифрой:

263, 8136·107 г/год ? (130-140) ·1011 см3/год

Стоки

ВНЕШНИЕ

В уравнении баланса гелия на Земле В.П. Якуцени эту составляющую рассматривает как суммарную диссипацию гелия в космическое пространство.

По её оценке она равна

- 0,32·1013 см3/год.

При этом общий баланс оказывается существенно положительным -

+ 2,62·1013 см3/год. Это обстоятельство говорит о том, что помимо внешних стоков существуют стоки и внутренние. Иными словами, в структуре земной коры имеются «ловушки», которые поглощают гелий и удерживают его. Такими «ловушками» могут быть подземные воды, заполняющие порово-трещинное пространство литосферы, скопления нефтепродуктов и газов, а также определённые типа осадочных горных пород. ВНУТРЕННИЕ

Поглощение гелия подземными водами

При разработке методов определения возраста подземных вод В. П. Савченко (1935, 1936 гг.) и позже А. Л. Козловым (1950г.) была предложена формула для вычисления величины накопления гелия в водах, содержащихся в горных породах:

He = (11•10-8U+2,4•10-8Th)kотд(1- kдиф)г/n,

гелий земля генерация

где Не - концентрация гелия в 1 см3 воды, см3; U и Th - содержание урана и тория в породе, г/г; kотд - коэффициент отдачи гелия из пород в воду, доли ед.; kдиф - потери гелия из воды через подстилающие и покрывающие породы в результате диффузии, доли ед.; г - удельный вес пород, г/см3; n - пористость пород, доли ед.; 11•10-8, 2,4•10-8 - количество гелия, образующегося из 1 г соответственно урана и тория за 1 год, см3/г.

Заметим, что принятые цифры продуцируемости гелия существенно отличаются от условий, взятых В.П. Якуцени.

Стремясь получить формулу наиболее простого вида и удобную для массовых вычислений, В. П. Савченко и А. Л. Козлов использовали средние значения всех параметров для осадочных пород, как основных коллекторов подземных вод.

Так, А. Л. Козловым были приняты следующие средние содержания радиоактивных элементов: U = 7•10-6 г/г; Th = 1,5•10-5 г/г; средняя пористость n = 0,12; средний удельный вес г = 2,5 г/см3; kотд = 0,6; kдиф = 0,75. Заметим, что последние две величины были выбраны довольно произвольно, без каких-либо хотя бы ориентировочных расчётов. В итоге средняя годовая скорость накопления гелия в 1 см3 воды, заполняющей поры осадочных пород, оказалась равной 3,4•10-12 см3.

Были и другие предложения.

Понятно, что выбираемые расчётные коэффициенты, так или иначе, определяющие характер внутреннего распределения гелия по разрезу, следует оценивать «по месту».

А это означает, что в схему расчёта необходимо внести некоторую корректуру. Вместо удельного веса породы г правильнее использовать объемный вес скелета дc и принять новые значения интенсивностей гелиообразования 1 г урана (U238 + U235) - 12•10-8 см3/г и 1 г тория Th232 - 2,7•10-8 см3/г [10, стр. 46]. Образование гелия за счёт самария-147, по-видимому, можно не учитывать ввиду его малой генерирующей активности и очень низких содержаний в горных породах. В результате формула накопления гелия в подземной воде может быть записана в несколько ином виде:

He = (12•10-8U+2,7•10-8Th) kотд(1- kдиф)дc/n,

Допущение В. П. Савченко и А. Л. Козлова, что гелий в пластовых водах имеет только радиогенное происхождение, по-видимому, полезно сохранить, поскольку на точность расчётов оно вряд ли окажет серьезное влияние.

Величина He вычислялась нами по формуле (2) для основных видов изверженных, осадочных и метаморфических пород, расчётные параметры для которых взяты из различных литературных источников. Значения коэффициентов kотд и kдиф при этом были выбраны на основании материалов по геохимии гелия, приведенных у В. П. Якуцени [10].

Известно, что на отдачу гелия породами оказывает влияние множество факторов: состояние кристаллической решетки генерирующего гелий минерала, характер локализации в минерале радиоактивных элементов, наличие вторичных изменений в структуре кристалла, механические и химические воздействия на минерал и т. д.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что основные породообразующие минералы плохо удерживают гелий. Потери гелия в них составляют 70 - 80% и более. Установлено, что среднее медианное (из распределения) значение потерь гелия составляет 80 ± 20%.

Степень сохранности гелия существенным образом зависит от возраста минералов. Чем больше возраст минерала, тем меньше сохранилось в нём радиогенного гелия. Возраст, по-видимому, как бы интегрирует воздействие всех остальных условий в сторону увеличения отдачи гелия минералами. Н. Б. Кивел [10, стр. 81] на примере диабазов и базальтов показал, что сохранность гелия в образцах, датированных миоценом, составляет 60, датированных триасом - 45, докембрием - 34%. При выборе расчётных значений коэффициента kотд это положение нельзя не учитывать. Если приведенные цифры рассматривать как характерные соотношения в изменении отдачи гелия породами, то, по-видимому, можно считать, что kотд в пределах 0,6-1,0 (kотд = 80 ± 20%) распределяется для отдельных геохронологических групп пород в пропорции Kz : Mz : (Pz + докембрий) = 40 : 55 : 65 = 1 : 1,375 : 1,62, т. e. kотд для пород Kz равен 0,6 , Mz - 0,825, Pz (докембрий) - 0,975.

Диффузионные потери гелия, вероятно, с достаточной точностью можно оценить по составляющим его баланса для Земли [10, стр. 94]. Общее количество образующегося на Земле гелия практически соответствует его возникновению за счет б-распада радиоактивных элементов в её недрах и составляет 2,94•1013 см3/год. Количество гелия, диссипирующее в космос из экзосферы, равно 0,32•1013 см3/год. Тогда потери гелия можно оценить как kп = (0,32•1013)/(2,94•1013) ? 0,11. Однако эти 11% относятся ко всему образующемуся гелию, нас же интересуют потери только той его части, которая покинула материнские минералы и попала в поры породы. Очевидно, что при известных величинах kотд и kп такой расчет сделать несложно:

kдифKz = kп/ kотдKz = 0,183;

kдифMz = kп/ kотдMz = 0,133;

kдифPz(докембрий) = kп/ kотдPz(докембрий) = 0,113.

Фактический материал позволяет вычислить содержание гелия в кубических сантиметрах на 1 см3 воды.

Общие представления о подземных водах как «поглотителях» гелия

могут дать сведения, приводимые в книге В.П. Якуцени [10].

Из этих таблиц видно, что в интервале 25-40 о С (при стандартном давлении) существует скачок в растворимости гелия. В целом же по мере повышения температуры и давления растворимость гелия плавно увеличивается, а с увеличением минерализации вод - уменьшается.

В.П. Якуцени отмечает, что в смеси газов растворимость гелия резко возрастает по сравнению с растворимостью чистого гелия. При этом, чем меньше содержание гелия в смеси газов, тем его растворимость становится больше.

В условиях близких к естественной обстановке земной коры гелий ведёт себя как хорошо растворимый газ.

Интересные данные многолетних режимных наблюдений приводятся в работе Р.С. Зиявуддинова по Юго-Западному Узбекистану [3]. Особенность их заключается ещё и в том, что аналитическая привязка наблюдений даётся в связи с землетрясением.

Содержания гелия проведенные автором по скв.Шурчи за 1990-2010 гг, показали что в 1995-2000гг наблюдалось длительное повышение концентрации гелия, а после Гузар-Камашинских землетрясений содержание гелия стабилизировалось до нормального (рис.2).

гелий земля генерация

Рис.2

Многолетнее изменение гелия в подземных водах по скв. Шурчи в период Гузар-Камашинских (1999 г. 31.10, 2001 г. 18.01) землетрясений (составил Р.С.Зиявуддинов).

В той же работе приводится график содержания гелия в подземных водах Ташкентского артезианского бассейна по скв. Ботаника.

Он построен по наблюдениям 2005-2010 гг. (рис. 3). Начиная с января 2007 г. при среднем содержании гелия 0,062 мг/л в этой скважине происходит медленное его увеличение, которое наблюдается до мая 2008 г. и неожиданно подскакивает до 0,091мг/л.

Рис.3 График изменения гелия в подземных водах на скв. Ботаника за 2005-2010 г. (составил Р.С.Зиявуддинов).

После этого произошел резкий спад содержания гелия, вплоть до июля 2008 г, а затем его значение снова сильно увеличилось до 0,085 мг/л. Автор связывает это явление с произошедшим Ташкентским землетрясением 22 августа 2008 г., с М=4,7 и К=13. Р.С. Зиявуддинов отмечает, что в подземных водах также произошло одновременное изменение таких параметров, как углекислый газ и хлор. Сравнительный анализ позволил установть корреляционную зависимость между концентрациями углекислого газа, хлора и гелия.

Автор утверждает, что:

«…полученные материалы по вариациям изменения концентрации гелия в подземных водах и зонах глубинных разломов дают дополнительную информацию об особенностях геологического, структурного-тектонического и гидрогеологического строения изученной территории, что позволяет установить наличие блоковой структуры земной коры, определить место сопряжения глубинных разломов и степень мобильности структур (блоков) и живучесть разрывных нарушений. ….в период активизации тектонических процессов содержание гелия в подземных водах начинает увеличиваться. При этом межамплитудные колебания происходят за короткий период времени (часы, сутки), крупномасштабные продолжаются десятки суток, месяцы. Они и составляют интерес как аномальные изменения содержания гелия, связанные с подготовкой и проявлением сейсмических событий того или иного региона. Изменения содержания гелия в подземных водах скважин геодинамических полигонов Центральной Азии и Памира, по всей вероятности, чётко реагируют на геодинамические процессы (сжатие, растяжение, рост структур, оживление глубинных разломов и др.) происходящие в земной коре и верхней мантии, на что указывает связь сейсмичности с процессами повышения концентрации гелия.

Поглощение гелия в нефтях

Растворимость газов в нефтях, в том числе и гелия, зависит от их физико-химических свойств, температуры и давления. Так, например, в парафиновых углеводородах растворимость гелия выше, чем в нафтеновых, а в нафтеновых выше, чем в ароматических. В целом же можно сказать, что этот вопрос изучен ещё довольно слабо. Даже у В.А. Якуцени [10] (при всей тщательности изучения вопроса о геологии гелия) приводится лишь одна небольшая табличка со ссылкой на А.А. Черепенникова [7], в которой показано, что по мере уменьшения плотности нефтей коэффициент абсорбции Бунзена в целом растёт (с небольшими флуктуациями).

Уверенно можно лишь говорить, что в интервале температур 15-40 оС при атмосферном далении растворимость инертных газов и азота в нефтях значительно превосходит их растворимость в пресной воде.

Общая картина соотношения рапространённости гелия, нефти игаза в земной коре представлена на рис. 4.

Рис. 4. Распределение гелия в поровом пространстве, занятом водой (1), нефтью (2) и газом (3) [10].

Клатратные гидраты гелия

К внутренним стокам гелия в земной коре сегодня (после работ Ю. Ю. Божко, [2]) можно отнести процессы возникновения так называемых клатратных гидратов.

Клатратные гидраты это соединения включения, в которых каркас хозяина построен из водородносвязанных молекул воды, а полиэдрические полости этого каркаса способны включать широкий ряд молекул гостя от водорода и гелия до больших органических молекул.

Известно, что жидкая вода и кристаллические модификации льда имеют аномальные физико-химические свойства. В основном они зависят от строения самой молекулы воды. Для описания свойств жидкой воды существует большое число моделей [9, и др.]. В соответствии с одной из них молекула воды содержит две поделённые с атомом водорода и две не поделённые электронные пары, что формирует у каждой молекулы четыре межмолекулярных водородных связи с соседними молекулами. Две не поделённые пары электронов атома кислорода образуют водородные связи с двумя атомами водорода соседних молекул воды. Иными словами, молекулы воды стремятся к образованию водородных связей с тетраэдрической координацией.

Для нашей задачи наиболее интересна кристаллическая модификация Ih льда, которая распространена в природе в виде обычного материкового льда, снега или инея [11]. К ней же можно отнести и льды многолетнемёрзлых пород. Представление о клатратных гидратах гелия могут дать рис. 5-7.

О кристаллической модификации льдов в зоне многолетнемёрзлых пород мы пока знаем мало, но судя по диаграмме на рис.7 образование клатратных гидратов гелия там можно ожидать. Во всяком случае, пренебрегать такой возможностью не следует.

Рис. 6. Гидрат гелия на основе льда II при Т = 200K, P=285 Мпа [2].

Здесь представлен фрагмент структуры гидрата гелия на основе льда II при Т = 200K, P=285 МПа.

В соответствии с расчётами расстояние гелий-гелий вдоль канала льда по оси сн относительно плоского кольца льда II составляет 0,287 нм, что показало хорошее согласие с экспериментальными данными.

Рис.7 . Линия фазового перехода гидрат гелия на основе льда Ih-гидрат гелия на основе льда II в диапазоне температур 150-250K (? - расчёт,-? - эксперимент). Линии разложения гидратов гелия на основе льда Ih (^-расчёт, + - эксперимент) и льда II (¦ - расчёт, Ч - эксперимент) при температурах до 280K. [2].

Выводы

гелий земля генерация

1. Дыхательная ритмика человека рассматривается как одно из проявлений газовой ритмики недр Земли.

2. Если довериться этой догадке, то временная напряжённость дыхательной ритмики человека может быть принята за константу.

3. Эту константу предлагается использовать для прогнозирования тех границ геосфер, к которым удастся привязать ритмику «дыхания» недр, а, возможно, и Космоса. При положительных результатах величину Е =2,03 с/м придётся считать универсальной постоянной (константа дыхания Земли).

4. Поверхность, на которой продуцируется поток гелия, контролируется границей МОХО.

5. Его дальнейшее распределение определяется структурными особенностями литосферы, её минеральным составом, тепловым полем, а также зонами терщиноватости и особеностями разломной тектоники.

Литература

1.Блаватская Е.П. Тайная доктрина. Синтез науки, религии и философии. Том I. Космогенезис. Кн. 1. - М., Прогресс-Культура, 1992. - 384 с.

2.Божко Ю.Ю. Моделирование структуры, состава и структурных переходов гидратов гелия и неона, а также клатратных гидратов смеси неона и метан, гелия и метана. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Новосибирск. 2014. - 118 с.

3.Зиявуддинов Р.С. Особенности проявления гелия в подземных водах сейсмоактивных районов Центральной Азии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Ташкент . - 2011.

4.Кларк С. мл., Турекьян К., Гроссман С. Модель ранней истории Земли // В кн.: Природа твёрдой Земли. - М.: Мир,1975. - С.9-23.

5.Павлов А.Н. Квантовые закономерности геологического развития Земли // Учёные записки. РГГМУ, 2006. №2. - С.213 - 228.

6.Хокинг С. Краткая история времени от большого взрыва до чёрных дыр. - СПб.: Амфора, 2005. - 268 с.

7.Черепенников А.А. Растворимость инертных газов в нефтях./ / Геохим. Сб., №2-3. М.:Гостоптехиздат, 1951.

8.Шарден П. Феномен человека. - М., Наука, 1987. - 240 с.

9.Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Ленинград. Гидрометеоиздат, 1975. - 280 с.

10.Якуцени В.П. Геология гелия. Л., Недра, 1968. - 232 с.

11.Kuhs W. F. and Lehmann M. S. The structure of ice-Ih Water Science Reviews 2 (Cambridge University Press: 1986) P. 1-66.

Размещено на Allbest.ru