Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
лебаний при возникновении и движении дефектов кристаллов. Интенсивность рождения дефектов пропорциональна деформации кристалла, и, значит, интенсивность сигнала тем выше, чем больше деформация. Нелинейный механизм усиления электромагнитных волн при их
взаимодействии с дефектами кристаллической решетки вещества горных пород, родственный механизму сверхизлучения, может проявиться в условиях достаточной энергетической накачки среды, которая особенно велика в окрестности структурных неоднородностей
среды.
Это пример своеобразной геофизической «спектроскопической
лаборатории». Действительно, интенсивность рождения дефектов пропорциональна деформации кристалла, и, значит, интенсивность сигнала тем выше, чем больше деформация, поэтому структурные особенности среды должны отражаться в изменении интенсивности электромагнитного излучения на поверхности [Там же]. Согласно экспериментальным данным, интенсивность электромагнитного излучения в радиоволновом (от 2 до 50 кГц) диапазоне (число импульсов в единицу
времени, амплитуда которых превышает заданный порог) характеризуется пространственной неоднородностью, имеется корреляция интенсивности импульсного поля с областями напряжения недр, с положением предполагаемых разломов, слоев, структур, обнаруженных по
данным сейсморазведки и бурения. Зоны сжатия в геосреде, в которых
происходит релаксация механических напряжений, проявляются в виде выраженных максимумов интенсивности электромагнитного излучения, превосходящего уровень излучения в спокойных зонах в несколько раз. В электромагнитном шуме над разрывными нарушениями
земной коры, находящимися под осадочным чехлом, регистрируются
узкие двойные максимумы излучения [Там
же]. Чем меньше глубина
объекта, тем более локальна аномалия, тем меньше ширина всплесков
излучения, фиксируемая на дневной поверхности. Таким образом, характеристики импульсного электромагнитного шума в диапазоне от 2
до 50 кГц тесно связаны с глубинной структурой геосреды, и форма
пространственных аномалий шума позволяет определить геометрию
георазреза.
Распространение электромагнитных возмущений этой частоты к
дневной поверхности можно объяснить наличием следов разрывных
нарушений, идущих от разломов в кристаллическом фундаменте через осадочный чехол к дневной поверхности, при этом следы могут
быть сейсмически ненаблюдаемы [Там же].
181
9.2. Триггерное воздействие прилива
В качестве естественного внешнего воздействия, генерирующего
и (или) модулирующего нелинейный отклик геосреды, может выступать земной прилив. Действительно, лунно-солнечный прилив можно
рассматривать в некотором смысле как триггер геофизических процессов [Адушкин и др., 2012; Адушкин и Спивак, 2012; Спивак,
2009]. Прилив и соответствующая слабая деформация земной коры
являются одними из основных факторов, формирующих вариации
амплитуды микросейсмического колебательного фона (на определенных частотных интервалах), электрического поля в грунте, интенсивности импульсных электромагнитных и микросейсмических сигналов,
режимы флюидодинамики и дегазации приповерхностных слоев земной коры и др. [Адушкин и др., 2012; Адушкин и Спивак, 2012]. Действительно, периоды вариаций этих геофизических полей соответствуют периодам прилива, а сами вариации значимо коррелированы с
вариациями приливной силы [Там же; Спивак, 2009].
Зависимость модуля приливной силы от времени содержит быструю и медленную компоненты. Быстрая компонента квазипериодична с суточным и полусуточным периодами, медленная компонента
имеет полумесячный период и проявляется как огибающая биений
приливной силы [Мельхиор, 1968]. Наблюдаемые максимумы интенсивности электромагнитных и микросейсмических сигналов, отражающие усиление релаксационных процессов, соответствуют максимумам приливного воздействия [Адушкин и др., 2012; Адушкин и
Спивак, 2012; Спивак, 2009].
Изменения структуры и свойств вещества, режимов флюидодинамики и дегазации, вызываемые сжатиями и разуплотнениями вещества
при приливах, в большей степени проявляются в областях с контрастными по сравнению с окружением свойствами
мостью вещества [Спивак, 2009]. Концентрация напряжений и деформаций в таких областях и соответствующие преобразования вещества в них
служат причиной повышенных вариаций геофизических полей в этих
областях в ответ на слабые геофизические воздействия, в частности на
, с повышенной деформируе-
приливы [Адушкин и др., 2012; Адушкин и Спивак, 2012; Спивак, 2009].
Полагают [Павлович и др., 2009],
говой величины деформации и (или) интенсивности движения флюида или дегазации, вызванных приливом, происходит резкое усиление
релаксационных процессов, сейсмоакустической и электромагнитной
эмиссии, возникают нелинейные геофизические явления.
182
что начиная с некоторой поро-
Эти механизмы включаются, в первую очередь, в энергетически
активных зонах, где может накапливаться энергия деформационного
воздействия или энергия дегазации и движения флюидов, — в зонах с
различными неоднородностями, в разломных зонах.
9.3. Механизм воздействия прилива
в условиях нелинейного геомеханического
квазирезонанса
Можно предложить еще один возможный механизм воздействия
лунно-солнечного прилива на усиление интенсивности микросейсмических и электромагнитных сигналов, вариаций других геофизических полей в окрестности структурных особенностей геосреды, основанный на явлении нелинейного геомеханического квазирезонанса и
медленных деформационных волн.
Определяющим свойством массивов горных пород признано
блочно-иерархическое строение. Массивы горных пород представляют собой систему вложенных друг в друга блоков разного масштабного уровня, свойства которой характеризуются масштабной инвариантностью [Опарин и Симонов, 2010].
Взаимодействия блоков осуществляются по межблоковым промежуткам, где возникают аномально высокие напряжения, приводящие к разрушению среды, изменению флюидных потоков, конфигурации электрических зарядов и токов, возникновению сейсмоакустических и электромагнитных сигналов [Адушкин и Спивак, 2012].
Одним из проявлений подобных взаимодействий считают маятниковые волны [Опарин и Симонов, 2010]. Составные элементы (блоки) неоднородной структуры массива горных пород, имеющие свои
собственные колебательные степени свободы, разделенные прослойками из более слабых трещиноватых пород, их контактные взаимодействия приводят к возникновению медленных деформационных
волн – волн маятникового типа [Там же].
Деформирование блочного массива как в динамике, так и в статике происходит в основном за счет деформации прослоек. Деформирование прослоек существенно нелинейно, что приводит в том числе
к появлению низкочастотных компонент колебаний, относящихся к
линейным размерам блоков — носителей деформационных волн, и
особенному скоростному режиму этих волн, который начинается со
скорости криповых деформаций.
183
Эти медленные деформационные волны, достигая области
структурной неоднородности геосреды или возникая в ней, способны
индуцировать колебательные и апериодические движения блоков в ее
окрестности [Там же]. Эти движения должны приводить к преобразованиям процессов вариации напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, процессов разрушения и других видов
необратимого деформирования и соответствующим изменениям
сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии, интенсивность которой в обычных условиях пропорциональна напряженности массивов горных пород [Яковицкая, 2008].
Маятниковые волны могут генерироваться низкочастотными
вибрационными или импульсными воздействиями [Опарин и Симонов, 2010]. Источниками маятниковых волн могут быть сейсмические
процессы [Опарин и Симонов, 2010, Багаев и др., 2010].
Обоснованно предположить, что гравитационный прилив модулирует генерацию, энергетическую подпитку и динамику маятниковых волн. Действительно, энергетический параметр возбуждения маятниковых волн включает в себя упругий потенциал от горного давления и кинетическую энергию, сообщаемую импульсным, вибрационным или иным источником возбуждения маятниковых волн, дошедшую в заданную точку массива, и от движения смежных к данной
области геосреды блоков соответствующего размера [Опарин и Симонов, 2010]. Таким образом, при отсутствии внешнего импульсного
или вибрационного воздействия условие возникновения волн маятникового типа может выполняться в достаточно напряженных областях
геосреды. Земной прилив, увеличивая напряжения и деформации в
данной области геосреды, будет способствовать выполнению этого
условия, обеспечивая возбуждение собственных колебаний структурных геоблоков различного размера. Энергетическая подпитка маятниковых волн может осуществляться за счет упругой энергии, накопленной в массивах горных пород, которую пополняет и модулирует
прилив.
Вместе с тем, данные наблюдений свидетельствуют, что прилив
индуцирует микросейсмические колебания [Адушкин и Спивак, 2012;
Адушкин и др., 2012], которые, в свою очередь, способны генерировать релаксационные процессы, связанные с блоковыми подвижками
[Адушкин и Спивак, 2012] (см. подробнее в следующем параграфе),
что может привести к модуляции формирования и динамики маятниковых волн и (или) росту областей в состоянии критического деформирования.
184
Энергетическое условие возникновения маятниковых волн
предполагает сохранение суммы потенциальной упругой и кинетической энергий, что отражает возможность осцилляций и резонансных
явлений [Опарин и Симонов, 2010].
В этой ситуации возможно возникновение так называемых нелинейных геомеханических квазирезонансных процессов [Опарин и
Симонов, 2010; Курленя и др., 1998; Kurlenya and Oparin, 2000]. На
критических стадиях деформирования система блоков может демонстрировать акустически активное состояние, при котором происходит
резкое усиление колебаний на резонансных частотах волновых пакетов блоков и сходимость этих частот. Усиление осуществляется
вследствие накачанной в геосреду упругой энергии с последующим
когерентным излучением сейсмических волн. То же относится и к генерации электромагнитных импульсов.
Отметим, что земной прилив, увеличивая напряжения и (или)
блоковые подвижки, способствует росту областей в состоянии критического деформирования.
Области, находящиеся на стадии предразрушения, «могут переходить в механически активные состояния, уподобляясь своеобразной
геомеханической «лазерной» системе с последующим «когерентным»
излучением сейсмических и электромагнитных волн» [Опарин и Симонов, 2010. С. 11].
Это дает основание для «спектроскопического подхода» [Там
же] к анализу связей между структурой геореды и структурой геофизических полей. В этой ситуации возможно формирование спектрального состава акустических, электромагнитных и деформационных
волновых пакетов под влиянием структурного фактора горных пород
(акусто-электромагнитно-деформационная радуга) [Там же].
Итак, формирование квазирезонансных движений породных
блоков приводит к кратковременному переходу накопленной избыточной упругой потенциальной энергии в кинетическую энергию
движения геоблоков с возникновением сейсмических, маятниковых
волн и электромагнитных сигналов [Курленя и др., 1998; Kurlenya and
Oparin, 2000], и этот процесс может модулироваться приливом.
Огибающая приливной силы имеет максимумы в период новолуния и полнолуния, ее величину модулируют и другие фазовые соотношения в системе Солнце — Луна — Земля. На участке с достаточно напряженным состоянием геосреды, начиная с определенного
порогового уровня приливного воздействия, связанного с достаточным ростом областей геосреды в состоянии критического деформиро-
185
вания, может происходить резкое нелинейное самоусиление интенсивности различных геофизических полей.
Эти механизмы включаются в первую очередь в энергонасыщенных зонах, где может накапливаться энергия деформационного
воздействия, — в зонах с различными структурными неоднородностями, в разломных зонах.
Области структурной неоднородности геосреды дают один из
возможных примеров описанной выше «спектроскопической лаборатории» в те интервалы времени, когда воздействие гравитационных
приливов превышает определенный пороговый уровень для данного
участка геосреды.
Модулируя нелинейные геомеханические квазирезонансные явления, прилив может модулировать и возможные явления, связанные
с ними, в частности процессы, связанные с акустико-электромагнитно-деформационной радугой.
9.4. Другие триггерные воздействия
Как отмечалось в предыдущей главе, установлено, что достаточно сильные вариации естественного геомагнитного поля (магнитные бури), а также искусственные электромагнитные воздействия (мощные электромагнитные импульсы МГД-генератора) могут
влиять на сейсмичность [Закржевская и Соболев, 2002; Тарасов и
Тарасова, 2011; Сычева и др., 2011] и сейсмический шум в диапазоне, по крайней мере, 10 — 20 Гц
что солнечные вспышки и вызванные ими магнитосферные и ионосферные возмущения индуцируют в земной коре импульсные
токи, которые, как и электромагнитные импульсы, возбуждают в
ней колебания. Теоретически эти даже очень слабые по амплитуде
вибрации в широком диапазоне частот активируют рост трещин и
подвижки структурных блоков разного размера, что приводит к
повышению сейсмоакустической эмиссии и сейсмической активности [Там же]. Резкое возрастание амплитуды микросейсмиче-
[Сычева и др., 2011]. Полагают,
ских колебаний (частоты 0,5 — 7 Гц) наблюдается во время полного солнечного затмения и с небольшим запаздыванием после магнитных бурь, причем спектр колебаний расширяется [Попова и др.,
2011]. Кроме того, геоакустическая эмиссия горных пород (частоты, по меньшей мере, 30 — 160 Гц) может модулироваться сверхнизкочастотным полем атмосферного происхождения [Гаврилов и
186
др., 2011]. Полагают, что все эти явления носят триггерный характер, инициируя высвобождение накопленной в геосреде энергии.
С другой стороны, данные наблюдений свидетельствуют о влиянии микросейсмических колебаний различного частотного и амплитудного состава на вариации характеристик промежутков между
структурными блоками геосреды, на уменьшение сцепления между
смежными блоками, на увеличение их подвижек [Адушкин и др.,
2012]. Амплитуды фоновых микросейсмических колебаний в диапазоне частот, по крайней мере, 0,01 — 10 Гц определяют с высокой вероятностью вариации интенсивности релаксационных процессов, сопровождающихся поворотами и сдвигами структурных блоков разного размера [Адушкин и Спивак, 2012].
Поскольку данный диапазон частот соответствует всем вышеприведенным диапазонам, то это сопоставление данных наблюдений
аргументирует то, что указанные факторы модулируют блоковые
подвижки.
Приведенное сопоставление данных наблюдений частот микросейсмических колебаний, индуцируемых в геосреде солнечными
вспышками и другими рассмотренными факторами, с частотами микросейсмических колебаний, определяющих вариации интенсивности
релаксационных процессов в геосреде, сопровождающихся подвижками структурных блоков геосреды, показывает, что солнечная активность, геомагнитные возмущения, особенности в фазовых соотношениях в системе Солнце — Земля — Луна, мощные электромагнитные импульсы действительно могут индуцировать сейсмическую активность посредством указанного механизма блоковых подвижек.
Блоковые подвижки могут модулировать различные нелинейные
процессы в геосреде, в частности маятниковые волны. Действительно,
как показано в пп. 9.1 и 9.3, соответствующие нелинейные механизмы
чувствительны к блоковым
подвижкам.
Усиление микросейсмических колебаний и релаксационных процессов определяется, наряду с другими факторами, атмосферным давлением [Спивак, 2009]. Вариации атмосферного давления могут быть
вызваны такими факторами, как циклоны и антициклоны, перемещения атмосферных фронтов. В области влияния разломных зон в геосреде установлены корреляции между амплитудой фоновых микросейсмических колебаний в
диапазоне частот 0,03 — 1 Гц и циклоническими вариациями атмосферного давления [Там же]. Микробарические
вариации в атмосфере, связанные, например, с движением атмосферных фронтов, вызывают значительное увеличение интенсивности ре-
187
лаксационных процессов в геосреде [Там же]. Поэтому барические вариации в атмосфере также могут, в принципе, посредством рассмотренного выше механизма блоковых подвижек привести к запуску нелинейных процессов в областях влияния разломных зон, энергоактивных областей геосреды.
Усиление микросейсмических колебаний и релаксационных процессов при приливах и барических вариациях атмосферы в большей
степени проявляется в областях с контрастными по сравнению с окружением свойствами, с повышенной деформируемостью вещества, в зонах, где аккумулируется энергия деформационного воздействия или
движения флюидов, в частности в разломных зонах [Там же]. Именно
в таких областях будет наиболее выражен эффект влияния триггерных
слабых воздействий на запуск нелинейных механизмов в геосреде.
Следует отметить, что синергия рассматриваемых факторов будет
способствовать превышению порогового уровня воздействия.
9.5. Влияние на живые организмы
Известно, что различные геофизические поля могут оказывать
существенное влияние на живые организмы, экосистемы и всю биосферу. Так, поле радоновых эманаций оказывает значительное воздействие на живые организмы [Кузин, 2002]. Все живые организмы
непрерывно находятся под воздействием малоинтенсивной природной атомной радиации. Напомним (см. главу 8), что в среднем почти
половину радиации природного
продукты его радиоактивного распада [Там же]. Радон генерируется
при распаде радия, который непрерывно распределен в земной коре.
В процессе эманации подземных газов радон мигрирует к земной поверхности вместе с пузырьками водорода и метана [Адушкин и Спивак, 2012; Спивак, 2009]. Он поступает в почву, приземный слой
мосферы, приповерхностные воды (радон хорошо растворим в воде)
[Кузин, 2002]. Ультрамалые дозы природной атомной радиации необходимы для нормального функционирования и развития организма,
радиоактивного фона дают радон и
ат-
течения основных жизненных функций [Кузин, 2002].
Установлено, что вариации геомагнитного поля, слабые и сверхслабые непрерывные и импульсные электромагнитные поля также способны воздействовать на биосистемы [Бинги, 2011; Новиков и др., 2010].
Усиление микросейсмических колебаний, релаксационных процессов, блоковых микроподвижек должно привести к ускорению
188
эмиссии подземных газов, в частности радиоактивных радона-222 и
тарона-220, определяющих приповерхностную радиацию и существенно влияющих на ее вариации [Адушкин и Спивак, 2012], к увеличению вариаций импульсного электромагнитного поля и других геофизических полей. В частности, увеличение активности радона приводит к увеличению проводимости среды и уменьшению приповерхностного электрического поля [Там же].
Резкие вариации природного радиоактивного фона, приповерхностного электрического поля, поля электромагнитных импульсов и
других геофизических полей могут оказывать воздействие на живые
организмы и экосистемы [Кузин, 2002; Бинги, 2011; Новиков и др.,
2010]. В частности, существенное усиление получает механизм, изложенный в главе 8.
Таким образом, рассмотренные в этой главе триггерные воздействия, запускающие нелинейные геофизические процессы, могут привести к резкой модуляции, в частности к усилению, влияния геофизических факторов на живые организмы и экосистемы. Как обсуждалось
в предыдущих главах, эта модуляция может быть сопряжена с преобразованиями структурной динамики в биосистемах.
9.6. Выводы
Таким образом, обоснованно предположить, что гравитационный прилив может модулировать нелинейные геомеханические квазирезонансные явления, энергетическую подпитку и динамику маятниковых (медленных деформационных) волн и, следовательно, соответствующий нелинейный отклик в приповерхностных геофизических полях. Другие слабые триггерные внешние воздействия различной природы, естественные и искусственные, такие как солнечная активность, геомагнитные вариации, искусственные мощные электромагнитные импульсы, сверхнизкочастотное электромагнитное поле атмосферного происхождения, барические вариации в атмосфере, могут
вследствие индуцирования ими микросейсмических колебаний и, как
следствие, релаксационных процессов и блоковых подвижек в геосреде, в принципе, привести к запуску нелинейных механизмов. Начиная с некоторого порогового уровня воздействия может происходить резкое нелинейное усиление интенсивности различных геофизических полей. Эти явления могут осуществляться, в первую очередь, в
окрестности структурных особенностей геосреды, областей неодно-
189
родностей ее параметров, в энергетически активных зонах, где может
накапливаться энергия деформационного воздействия и (или) движения флюидов. Соответственно, в этих случаях может значительное
усиливаться влияние геофизических факторов на живые организмы и
экосистемы.
190