Menu

Физические аспекты проницаемости материалов и геологической среды легкими газами

Динамические процессы в кристаллических структурах обусловлены положением атомов гелия и водорода в них и их концентрацией. Растворимость водорода и гелия в равновесных условиях мала. Это касается и горных материалов. В равновесных состояниях легкие газы в матрице находятся в основном в положении замещения (т.е. в вакансиях) и в порах. Коэффициенты диффузии Не + вакансия и Н + вакансия также весьма малы, D ~ 10-13-10-15 см2/с. Качественно процесс насыщения кристаллических структур по мере увеличения концентрации легких газов происходит по следующей схеме: раствор внедрения ^ раствор замещения (Не, Н, вакансия) ^ образование и слияние комплексов (Не, Н, вакансия), т.е. формирование газовых пузырей с определенным давлением в них газов. Существование растворов внедрения возможно только на ранних стадиях имплантации и из-за высокой подвижности легких газов происходит увеличение периодов решетки (увеличение объема элементарной решетки). Последующий захват междоузельных атомов (гелия и водорода) и образование растворов замещения будет сопровождаться уменьшением периодов решетки, вплоть до отрицательных изменений. При образовании вакансионных комплексов период решетки опять увеличивается. Такие комплексы являются зародышами газовых пузырьков.

В условиях взаимодействия с непрерывным и переменным потоком восходящих легких газов твердая фаза среды будет испытывать макроскопические деформационные эффекты, аналогичные радиационной ползучести и распуханию.

Можно рассматривать три основных процесса, обуславливающих неустойчивость литосферы при прохождении через нее легких газов: формирование пористости с высоким внутренним давлением газов, междоузельная диффузия, фазовые переходы по высокотемпературному типу в присутствии гелия.

Рассмотрим возможности крупномасштабного деформирования литосферы за счет внутрипорового давления легких газов. Оценки приведем для гелия, концентрация которого существенно меньше концентрации водорода в твердой фазе. Будем использовать минимальные концентрации гелия для океанической (<1015 ат/г) и континентальной (1017ат/г) коры [Азбель и Толстихин, 1988]. В диапазоне температур 200-1000°С и микропорах с радиусом г=10-6-10-1 см внутрипоровые давления достигают величин 10-30 кбар.

Для реализации крупномасштабного деформирования необходимо соблюдение двух условий. Первое условие определяет требование к концентрации микропор: расстояние между микропорами должно иметь порядок длины дислокационного стока. Второе требование выражает условие нарушения равновесия вокруг поры:

Р-2у/г > ob/r + L, где P - внутрипоровое давление газа, Y - поверхностная энергия, а - модуль сдвига, b- вектор Бюргерса, L - литостатическое давление.

Для приведенных концентраций гелия эти условия выполняются при L < 10-15 кбар (глубины меньше 30-35 км) и равномерного распределения микропор с радиусами

10-6 см < г < 10-4 см Присутствие в среде водорода делает менее критичными условия формирования газовой пористости, однако монотонное увеличение плотности с глубиной увеличивает энергию образования вакансий и, следовательно, возможности формирования газовой пористости. Возможно, граница Мохоровичича является предельной, ниже которой микроскопическая пористость ограничена. В то же время субмикроскопическая пористость, образованная вакансиями, дефектами структуры (дислокациями) и межатомными полостями (тетра- или октапоры), вполне вероятна. Однако в одиночных вакансиях и субмикроскопических порах с г ~ 1 нм, что соответствует захвату 1 - 5 атомов Не, плотность значительно выше плотности жидкого гелия и аппроксимируется как твердое состояние. Естественно, что эти состояния не описываются газовыми законами.

Водород также может быть захвачен различными дефектами структуры (вакансии, дислокации, границы зерен, различные примеси и т.д.). При этом следует отметить захват водорода дефектными структурами, созданными при восходящей диффузии гелия. Последствия совместного нахождения в субмикроскопической поре гелия и водорода с плотностью близкой к твердому состоянию еще предстоит осмыслить [Gilat and Уо1, 2004].

Захват гелия и водорода дефектами структуры существенно ограничивает их подвижность. При миграции по вакансионному механизму коэффициенты диффузии составляют 10-13-10-15 см2/сек и меньше в широком диапазоне температур. Это означает, что часть легких газов в геологической среде может быть практически выключена из влияния на динамические явления в среде. Если учитывать, что существует долговременный и переменный восходящий поток легких газов с различным содержанием компонент по глубине (не исключено, что с резким различием), то влияние на динамические явления в среде может оказывать поток, контролируемый междоузельным механизмом диффузии, т.к. все остальные дефектные места за геологическое время оказались заполненными легкими газами. Коэффициент диффузии здесь может достигать значений D « 10'5-10'3 см2/с в диапазоне 200-1000 °С.

При упорядоченном расположении в структурах атомов внедрения (водорода и гелия) и занятых позициях в дефектах структуры будет происходить ориентированное смещение атомов матрицы в соответствии с симметрией решетки, например, [Хачатурян, 1974]. Такой процесс наиболее характерен для структур типа кварцита и полевого шпата. Дополнительная энергия упругой деформации запасается на стадии имплантации легких газов, образующих фазы внедрения. Учитывая восходящую диффузию легких газов, имеются основания говорить об обратимой упругой деформации кристаллических решеток среды. Однако скорость вариации этих деформаций будет зависеть от температуры, типа структуры вещества, его исходной текстурированности.

Рассмотрим особенности вариаций деформаций выше уровня кровли верхней мантии, где термическое расширение еще не компенсируется барическим сжатием. С уменьшением глубины и соответственно температуры уменьшается коэффициент диффузии легких газов. Верхние слои становятся барьером, ограничивающим дегазацию из внешнего ядра и нижней мантии. Поэтому, выше кровли верхней мантии (например, на сейсмически контролируемых границах [Каракин и др., 2003; Павленкова, 2001]), в отдельных зонах возможно накопление водорода и гелия, существенно влияющее на сейсмические параметры среды, а дальнейший их сток в литосфере и далее в атмосферу будет контролироваться каналом твердая фаза - флюид - твердая фаза. Этому будет способствовать и действие приливных деформаций. При этом отметим, что основное влияние на параметры среды будут оказывать потоки междоузельного водорода, коэффициент диффузии которого при температуре, например, 1000°С будет по оценкам 10-3-10-4 см2/с.

В связи с этим приведем времена стока потока междоузельного водорода в дефекты структуры и к поверхности до границы Мохоровичича.

Характерное время установления равновесного состояния:

т = l2 /D,

где l = 10-2-10-3см - характерный размер, связанный с длиной дислокационного стока.

Для междоузельного механизма диффузии, когда дефекты структуры не заняты, т ~ 0.01-1 с.

Мы же рассматриваем ситуации, когда дефекты структуры (вакансии, ядра дислокаций, дефекты упаковки) заняты и преобладающий поток обусловлен междоузельной диффузией. Пример для оценки: если длина стока L ~1000 км и D « 10-3 см2/с, тогда т ~ 3-1011 лет « 300 млрд. лет, что несоизмеримо со временем существования Солнечной системы.

Известно, что развитие эндогенных процессов в Земле имеет определенную ритмичность. Если продолжительность цикла порядка 200 млн. лет, то размер области по глубине, которая будет затронута активизацией, составит около 25 км. Учитывая, что при этом в литосфере возможны различные физико-химические реакции экзогенного и эндогенного типа, то их влияние на устойчивость среды может быть катастрофическим.

Можно по-другому поставить вопрос. Какая должна быть величина коэффициента диффузии водорода, чтобы удовлетворить циклу эндогенной активности в 200 млн. лет, активизируемому процессами во внешнем ядре. Принимая L « 1000 ... 3000 км, получим D « 1-5 см2/с. Может ли быть таким коэффициент междоузельной диффузии водорода? За счет барического сжатия увеличивается плотность среды и уменьшается дефектность структуры, что должно уменьшить энергию активации движения, а при более высоких температурах еще более уменьшается экспоненциальный множитель, что также увеличивает коэффициент диффузии. При этом следует иметь в виду, что растворимость в твердой фазе (нижняя мантия) водорода остается фиксированной, что делает невозможным образование "газовых пузырей", способных "всплывать". ^ 86 ^

Механизм восходящего струйного течения легких газов по междоузлиям более эффективен. В связи с этим напомним приведенные выше данные по предельной насыщенности образцов водородом и гелием. После имплантации водорода и гелия в образцы при высокой температуре, когда их растворимость существенно выше, чем в нормальных условиях, по мере охлаждения образцов концентрация водорода и гелия быстро уменьшается до той, которая была в исходных образцах, длительное время находящихся в нормальных условиях. Большая часть легких газов, находящихся в междоузельных позициях десорбируется в атмосферу. Это также подчеркивает существование динамической неустойчивости среды (включая мантию) за счет восходящих потоков легких газов, несмотря на стабилизирующую роль барического сжатия.

В заключении рассмотрим процессы взаимодействия легких газов с атомами в структурах, определяющих кристаллографическую симметрию. Наиболее сильные изменения происходят в структурах, где присутствуют элементы с переменной валентностью (например, Fe в структурах оливина и пироксена). При этом анион кислорода вытесняется из узла решетки и транспортируется к границе в виде подвижного радикала ОН-. Компенсация уменьшения количества анионов и потери электронейтральности могут осуществляться путем преобразования Fe2+ в Fe3+ (т.е. FeO в Fe2O3, например, [Купряжкин и др., 1986]). Соответственно изменится стехиометрическое соотношение Fe и Mg в структурах, например, оливина и пироксена. Такие преобразования приведут к наблюдаемым уменьшениям параметров кристаллических структур и формированию неустойчивого (или неравновесного) состояния. Здесь упругая энергия запасается на стадии имплантации, а ее высвобождение на второй стадии - стадии релаксации. Аналог этого состояния - сжатая пружина. Ситуация при диффузии водорода и гелия через структуры кварцита и полевого шпата, слагающих земную кору, несколько иная. Здесь упругая энергия тоже запасается на стадии имплантации, но аналогом этого состояния является растянутая пружина.

Таким образом, лабораторное моделирование последствий взаимодействия легких газов с горными материалами и анализ развивающихся ситуаций показывают, что динамические явления и вариации различных параметров геологической среды могут рассматриваться на основе этих процессов. Масштабы этих процессов в геологическом аспекте необходимо начать осмысливать.

Понимание натуры и реализация этого понимания... не сразу даются Поль Сезанн

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4223 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7423 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4412 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

3.5. Полимасштабность

Что же это за «место» может быть, о котором мы все время говорим и которое мы собираемся описывать? Может ли это быть маленькая улочка или дом... или это обязательно целый...

03-03-2011 Просмотров:4415 Комплексные географические характеристики

Согласное и несогласное залегание пород

Различают два основных типа соотношения слоёв: согласное и несогласное. Согласное залегание характеризуется отсутствием перерывов в осадконакоплении. Границы слоёв, толщ, свит или серий обычно субпараллельны друг другу. Иногда могут быть случаи «несогласованности»...

01-10-2010 Просмотров:21973 Геологическое картирование, структурная геология

Динамика Байтовых систем один раз статич…

В главах II и III было показано, что для мгновенно-жестких систем первого ранга изменяемости и один раз статически неопределимых возможны линейные преобразования, в результате которых в в первом приближении происходит...

20-09-2011 Просмотров:3540 Вантовые покрытия