В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 9
Текст из файла (страница 9)
2.6. МЕХАНИЗМЫ ВЯЗКОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 2.6.1. Основные механизмы упругости и вязкости в твердом теле Механизм улругасми связан с малыми смешениямл ионов в кристаллической решетке. На рнс, 2. (3 показана зависимость энергии взаимодействия ионов кристаллической решетки от расстояния между ними. Энергия эта складывается нз энергии притяжения н отталкивания.
Минимум энергии определяет оптимальное расстояние Ь между ионами в решетке — параметр решетки, При малых леформациях расстояние между ионами изменяется, однако при снятии напряжений положение восстанавливается (т,е, деформация обратимая), Поэтому основной механизм упругости во всех твердых телах одинаков, Рис. 2Л 3, Энергия взаимодействия ионов кристаллической решетки как Функция расстояния Механизм вязкости связан с наличием дефектов в кристаллической структуре.
Приложенные напряжения вызывают направленное движение ионов и соответственно дефектов. Это приводит к возникновению направленной деформации, т.е, к ползучести. Основные механизмы вязкости (Теркот, Шубер~; 1985; потуг(е, 2007; йапа111, 1995): диффузионная ползучесть (' ньютонОвское вязкое течение); дислокационная ползучесть (неньютоновское вязкое течение),. деформации по границам зерен. Первые два механизма связаны с деформацией собственно кристаллических зерен, а последний — с деформацией межзернового пространства. В А,' В А В' А В А А* А В в в в,' В -т А' в В В в в В В В в В В В В 1 В в В В Т В в в В А в В В ь В -+ В В та- В А В В т- В А,'В В "+!А В В В~в В -+!А В +- В В -т В +- В А Рис 2пй.
Диффузия примеси в кристаллическом твердом теле ГА — атомы примеси,  — основные атомы, пустые места — вакансиий о — - начальное состояние, когда атомы примеси сосредоточены в левой части кристаллаг 6, в, г — дальнейшие перемещения атомов примеси в вакантные положения, что приводит к случайному перемешиаанию ик по всей решетке Лиф4~узмл — следствие хаотического теплового движения (рис. 2 14). Внешние приложенные напряжения добавляют к атому хаотическому движению направленную составляющую грие. 2.
1 з). В результате происходит деформапня зерен и всей породы. г г г Рис, 2ЛВ, Диффузия атомов в кристалле под действием горизонтальнык окимающик и вертикальнык растягиаающик напряжений, в результате кристалл принимает форму, показанную пунктиром 2.6.2, Диффузионная поиаучесть Диффузионная ползучесть происходит благодаря диффузии помов через внутренние области кристаллических зерен, когда к последним приложены напряжения.
ДиФФузнонная ползучесть приводит к такой деФормации, которую можно рассматривать как течение ньютоновской вязкой жидкости Выражение для коэФФициента вязкости в этом случае имеет вид (Теркот, Шуберт, ! 985): Ч= — —: КТ. (2.31) 24Р;,0 ' где К вЂ” газовая постоянная; г — ралиус зерен; Х» — коэФФициент диФФузии 1' — объем активации; Т вЂ” абсолютная температура.
а Кроме того, козФФициент диФФузин зависит от температуры 0= деехр(- ЦКТ~), где Š— энергия активации, те. энергетический барьер, который необходимо преодолеть, Тогда имеем: и = — ехр( Е г' КТ) . КТг2 24" Ос Присутствие множителя с экспонентой приводит к тому что вязкость существенно уменьшается с увеличением температуры. 2.6.3. Днслокацмониая полаучесть Дмсюкааии — нарушение порядка расположения атомов в кристаллической решетке.
Все дислокации могут быть представлены в виде суперпозиции двух основных видов: краевых и винтовых дислокаций (рис. 2. 16). Приложенные напряжения приводят к направленному перемещению дислокаций, те. к деФормации (рис. 2.17). Дислокационная ползучесть приводит к нелпнейному (степенному) характеру зависимости между напряжением н скоростью леФормации а= Ао" ехр(-Ю(КТ) „ где е — скорость деФормации; а = и, — а — разность максимального и минимального нормальных напряжении; Т вЂ” абсолютная температура; К вЂ” газовая постоянная; У вЂ” энергия активации; А„л — материальные константы; л = 3 — 4 (может иметь дробные значения).
Лабораторные исследования дают для оливина л = 3, А = = 4,2 104 МПа ' с ~, (1= 523 кДж/моль. ооооооо о о аао ооаааааоаоаааааааоооаоаа аа а о ° а по ова о о ава ао о ° о а аа а о о а а а а о о о а о а о а а о о о а о а а а а г а а а о а а а о а а Рис. 2Л7. Скольжение краевой диоюкации под действием сдвиговых напряжений: о, б, в, г — последовательные состояния во времени По современным оценкам для мантии„при напряжениях ниже 10' ~ МПа преобладает диффузионная ползучестгь а при напряжениях выше 10 ' МПа — дислокационная (рис. 2.!8). 2.6.4. Вязкость по границам зерен Вязкость по границам зерен связана с деформированием межзернового пространства по механизму, сходному с механизмом диффузионной ползучести.
Она также приводит к линейному соотношению между напряжением и скоростью деформации с коэффициентом вязкости г17гз Ч,ь =-- —.-скрал/ А'у'), 24у,Ыго гле гг — коэффициент диффузии по границам зерен. я 6 Рис. 2Л 6. Дислокации в кристаллах: о — краевая, представляющая собои край атомной пояуплоскости, вдвинутой между нормальными атомными плоскостями; 6 — винтовая возникает тогда, когда атомы «уходятг иг плоскости, Ь' — вектор Бюргерсг дислокации, необходимый для замыкания контура 1О' 10' т геи 'сэ .3 10-1В Юи ю" Ю"' Ю' Ю' 1 1О о, МПа Рис.
ай. Зависимость скорости деформации от напряжения для различных температур: вертикальная линия разделяет области, соответствующие диффузионному и дислокационному механизмам ползучести; наклонные пунктирные линии соответствуют постоянной вязкости в астеносфере и основном объеме мантии (Теркот, Шуберт, 1985.С. 542) Деформации по границам зерен ограничены предельной величиной е - -Ю"5 б где Ы вЂ” диаметр зерен; 6 — межзерновое расстояние )рис. 2.19). При ббльших величинах нроисходитдеформация зерен. Рис.2.1 Я. К понятию вязкости по границам зерен Оценки показывают, что вязкость по границам зерен г!гн по крайней мере, на !О порядков меньц~е вязкости г), связанной с деФормацией зерен 2.6.$, Особенности реояогического поведения Земли Попробуем объяснить теперь указанные выше особенности (две оценки вязкости') с учетом возможных механизмов вязкости.
1. Быстрые процессы (распространение упругих волн) и = ив созй (х — тг), )де ив - !О ' м„б - !Оэ м. г)и, ТогдадеФормация е -- — '-ивх-!О' «е, дх Таким образом, деФормация при распространении сейсмических волн может быть обеспечена межзерновой деФормацией. Следова- тельно„затухание сейсмических волн может определяться вязкостью по границам зерен. В верхних частях Земной коры, где сушествует открытая пористость и трешиноватость, заполненная Флюидом, зФ- Фективная вязкость и соответственно затухание сейсмических волн обуславливается вязкостью Флюида, движушегося при деФормации в норовом пространстве П - !Ох — 10' Па.с. 2.
Медленные процессы (тектонические движения), Для постледниковогоподнятия е - — -!0»е . Притакойде"е Формации происходит дей)ормировайие зерен, и механизм вяз- кости — ди4н~)узионная н/или лислокационная ползучесть с вяз- -а г) - 10 9 ... 10эл Пз. с, 2.У. РЕОЛОГИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ (ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ) 2.7Л. Литосфера и астеносФера Литосфера имеет весьма высокую вязкость — 1О Па с и выше, 25 В геодинамике в качестве обобшенной реологической характеристики литосферы обычно используется эффективная п)эочлосгпь. Установлено, что в структуре литосФеры чередуются более прочные слои со слоями пониженной прочности (астенослои). Подробнее прочностьлитосФеры будет рассмотрена в гл. 8.
В астеносфере под Океаническими литосферными плитами на глубинах до 85 — 100 км вязкость частично расплавленного мантийного вещества не должна превышать 10 — 10 Па с. Под кони 26 тннентальными плитами астеносферный слой может находиться на ббльших !лубинах, 2.7.2.
Мантии Реологическое соотношение лля вещества мантии носит нелинейный характер с зависимостью от температуры вила (2,33). Помочу лля характеристики вязкости вводят понятие зффеклшллой еязкослпс Для этого (2,33) преобразуют к виду схолному с соотношением между напряжением и скоростью деформации лля линейного ньютоновского тела: е О= — — ехр(()~лйТ) е, !Пи Н где П,,г = —,, ехр(о(лйу'), Таким образом, эффективная вязкость зависит от температуры и скорости деформации и является усрелненной характеристикой, которую вволят для упрощенна записи. Ниже речь пойдет об эффективной вязкости.
Распределение вязкости в мантии Земли по различным моделям приведено на рис. 2.20, Пол континентальными плитами на гллубинах около 150 — 700 км Визкость мантии составлвет около 10 9 — 10' Па с. В нижней мантии вязкость:значительно выше, на глубинах около 2(ЮО км достигал значений, поридка 1Оз' — 10ьз Па с (по некоторым молелвм — ло 10 ' Па с). На еще болыпих глубинах в нижней мантии Вязкость ВещестВВ Вновь начинает уменьшаться, снижаясь, вероятно, до ! О'" — 10н Па с в переходном слое 2)". Наконец.
Можно Ожидать, что на подошве нижней мантии ввзкость резко падает на много порядков, приближаясь в пограничном слОС на поверхности земиого ядра к Вязкости ВещестВВ В самом яд(зе. Рис.2.20. Распределение вязкости в мантии Земли по различным моделям, в основу которых положены: ) — измерения уровня моря в Северной Европе; 2 — измерения уровня моря в Скандинавии и Гудзоновом заливе и данные сейсмической томографии; 3 — модели течений в мантии и сейсмическая томография; 4 — спектральные разложения гравитационного паля в районе Гудзонова залива (по з)сполз, Навег, 1 997. Р 502 с изменениями) 2.7З. Ядро Верхний предел вязкости вещества во внешнем ядре можно оценить по затуханию проходящих через него продольных сейсмических волн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
