СЛЕДЫ КОСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЗЕМЛЮ

Взрывные круговые структуры ВКС

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН БЛИЗМЕГАБАРНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Ю. А. Колясников

Проблема поведения вещества при мегабарных давлениях актуальна тем, что в ней непосредственно связан жгучий в планетологии вопрос о составе ядер планет земной группы. Не секрет, что модель с существенно железным ядром, возникшая более двух веков назад, практически изжила себя [Кузнецов, 1984; Ларин, 1980]. Самым крупным ее недостатком следует, видимо, считать то, что она абсолютно не нуждается в доказанном и объективно существовавшем на протяжении всей геологической истории Земли гелиево-водородном «дыхании» планеты. Один этот факт ставит модель под сомнение, но у нее есть и другие нерешенные проблемы [Ларин, 1980], в частности эволюция магнитного поля Земли [Кузнецов, 1984]. В то же время непосредственно изучать вещество ядра Земли человеку не дано. Отношение к нему железных метеоритов не менее отдаленное, чем каменных, связанных с первыми постепенными переходами Пока что человек может более ИЛИ менее достоверно оценить лишь давление в недрах Земли, поскольку о составе, состоянии и температурах существуют различные, порой взаимоисключающие представления.

Однако еще в начале 70-х годов А. А. Воробьев считал, что ответственно за резкий, почти в 2 раза, скачок плотности на границе мантии и ядра Земли именно давление, достигающее там 1,4 Мбар [Воробьев, 1971 ]. Подобные величины в эксперименте пока достигаются лишь в импульсном режиме, путем микровзрыва, в очень малых объемах. Наибольшего внимания в этом отношении заслуживают работы по лазерному управляемому термоядерному синтезу (ЛУТС), где доказана принципиальная возможность получения термоядерной энергии, достигнуто давление света в миллионы атмосфер, а водород сжат до плотности 10 — ЗО г/см3 при мощности импульса в первые килоджоули [Афанасьев и др., 1982]. Тогда действительно модель с железным ядром оказывается попросту ненужной, что было очевидным для В. А. Обручева, М. А. Усова и др. [Кропоткин, 1984], хотя гипотеза изначально гидридной Земли, являющаяся своего рода компромиссным решением, родилась уже более 15 лет назад [Ларин, 1980].

Итак, что мы знаем относительно воздействия давления на твердое вещество? Как известно [Попова, Бенделиани, 1974 ], при сильном сжатии свойства вещества все менее зависят от состава. Признаки подобной тенденции наблюдаются уже при давлении 100 кбар. Но что может происходить при унификации свойств вещества и с чем это связано? Для ответа на эти вопросы надо обратиться к некоторым уникальным процессам с достижением сверхвысоких давлений (СВД), имеющим место на поверхности Земли и объединенным аналогией продуктов трансформации вещества. Прежде всего к ним относятся взрывные события эндогенного и космического происхождения с образованием кольцевых или круговых структур (метеоритные кратеры, астроблемы, кимберлитовые трубки, маары).

Общим для взрывных круговых структур (ВКС) можно считать достижение близмегабарных давлений. Так, по Ю. Шуберу [Shoubert, 1977], давления в импакт- ных структурах составляли от 0,4—0,5 до 4—5 Мбар. Независимо от метеоритной ИЛИ эндогенной причины взрывного события, продукты ВКС удивительно похожи по составу и зональности на продукты из камер подземных ядерных взрывов (ПЯВ), и это признают сторонники обоих направлений [Взрывные кольцевые структуры.", 1985; Редкие события..., 1986]. В то же время все исследователи также единодушно и категорически отвергают возможность природных ядерных взрывов, которая, кстати, могла бы объединить их. Но основания к такому объединению уже имеются. Взять хотя бы взрыв энергоблока на Чернобыльской АЭС, происшедший в результате «разгона» реактора, возможного и в природных условиях для естественных ядерных реакторов типа феномена Окло [Дмитриев, Журавлев, 1984]. Сравнительная характеристика продуктов перечисленных шоковых процессов, проведенная Ю. Шубером [Schoubert, 1977 ], показала сходство их самих и расплавов в камерах ПЯВ по ультракислому составу, восстановленной форме железа и дефициту некоторых испарившихся легкоплавких элементов.

Итак, подчеркиваемая всеми исследователями аналогия ВКС и их продуктов с продуктами камер ПЯВ прямо свидетельствует об унификации расплавов независимо от состава исходной породы и характера взрывного процесса. Главная причина подобного преобразования вещества состоит, скорее всего, в достижении СВД. Признаки воздействия СВД на силикатное вещество следующие: наличие планарных структур в салических минералах, редко в пироксенах  , присутствие высокобарических фаз кремнезема и ряд других [Взрывные кольцевые структуры..., 1985; Редкие события"., 1986]. Следы шоковых давлений обнаружены в текти- титах [Glass et а]., 1986], несомненно, представляющих собой продукты ударных расплавов, хотя до сих пор в некоторых аспектах и загадочных [Изох, Ле Дык Ан, 1983; Шуколюков, Явнель, 1986].

Достижение высоких, в сотни килобар, давлений было возможным и при ударах-разрядах особенно мощных молний в песок или в рыхлый грунт с образованием фульгуритов. Чрезвычайная редкость обнаружения их крупных (более 1м в длину) экземпляров свидетельствует отчасти о малой вероятности разрядов такой мощности. Интересно, что оценка вероятности возникновения шаровых молний такова же [Барри, 1983]. По-видимому, именно подобные чрезвычайно мощные молнии наблюдаются с искусственных спутников Земли, с расстояния в сотни километров. В обоих случаях мощность разряда превышала среднестатистический, вероятно, на несколько порядков. Пока же отметим, что разряд молнии — это прежде всего гигантской мощности поток электронов (заряд 20—30 Кл при силе тока в десятки и даже сотни тысяч ампер [Стаханов, 1985]!). На границе сред, особенно газ — твердое, он резко тормозится, в силу чего в месте удара молнии в землю практически мгновенно достигается аномально высокая концентрация электронов. Поскольку последние — наиболее подвижная субстанция внутри даже твердого вещества, то и при взрывах с достижением мегабарных давлений также создается аномально высокая концентрация электронов путем сближения атомов вещества с деформацией и частичным нарушением («обрушением») их электронных оболочек.

На примере перечисленных выше уникальных образований можно попытаться выяснить более конкретно, что же происходит с веществом при давлениях, достигаемых в недрах Земли. Ведь. там, на границе ядро — мантия, как отмечалось выше, давление переходит за критический предел 1,4 Мбар и имеет место скачкообразное изменение плотности вещества от 5,5 до 10 г/см  и более. Оно связано, скорее всего, не просто с изменением химического состава, например силикатного на существенно железный, или с изохимическими переходами первого рода, а с упоминавшейся уже и более фундаментальной унификацией составов в связи с переходом в бароплазменное состояние, на уровень элементарных частиц [Воробьев, 1971; Колясников, 1985], предполагавшийся А. Ф. Капустинским еще в 50-х годах [Капустинский, 1956 ]. Но это соответствует, по Л. Д. Ландау, фазовому переходу второго рода, когда имеет место еще и переход вещества в состояние квантовой жидкости.

К сожалению, в экспериментах статические давления такого порядка в достаточно большом объеме до сих пор не получены. Тем более важно изучать изменения состава и состояния вещества при близмегабарных давлениях, достигаемых в упомянутых выше уникальных процессах на поверхности планеты. Но и в экспериментах по ударному сжатию проявляются определенные эффекты унификации, требующие особого объяснения. Так, при ударном сжатии оливина и металлического железа при давлении более 1 Мбар имело место изменение химизма, т. е. элементного состава, которое А. К. Лаврухина [Лаврухина и др., 1984] объясняет испарением некоторых элементов, в том числе даже тугоплавких, хотя эксперимент производился, естественно, в закрытой системе. Последнее же предполагает испарение с бесследным исчезновением, чего в действительности просто не может быть!

С другой стороны, аналогия продуктов BKC и камер ПЯВ наводит на мысль,' что унификация состава, кроме всего прочего, может быть связана с происходящими при близмегабарных давлениях какими-то ядерными реакциями. Известно же, что на вероятность слабоэнергетических трансмутаций типа электронного К-захвата и бета-распада влияют внешние факторы, включая давление [Воробьев, 1971; Чечев, Крамаровский, 1978]. Однако мгновенно достигаемая при рассмотренных шоковых процессах аномально высокая концентрация электронов должна способствовать увеличению вероятности электронного К-захвата, который в сущности — геологический аналог процесса нейтронизации  • В таком случае загадочное изменение химического (элементного) состава проще объяснить радиационным захватом барогенериро- ванных нейтронов. Другими словами, вполне возможно, что сама унификация есть отчасти следствие нейтронно-ядерных реакций [Колясников, 1985], имевших место в участках достижения ме- габарных давлений, что также предполагал Ю. Шубер [Shou- bert, 1977].

С целью показать реальную возможность прямой барогенера- ции нейтронов не только в условиях звезд, но и в земных кратко рассмотрим состояние проблемы шаровой молнии: наиболее очевидного и столь же невероятного феномена.

Большинство исследователей считает, что ШМ — плазменное образование (плазмоид, по Р. Буду и др. [Дмитриев, Журавлев, 1984]), существующее для такого состояния аномально долго [Стаханов, 1985]. Последнее предполагает наличие внутри нее источника энергии, которой она «запаслась» в момент своего образования. Из особенностей ШМ следует, что исходное вещество, непрерывно пополняющее шар плазмы энергией, сосредоточено в его центре и выдает энергию в виде некоего излучения.

Достоверно известны пока лишь средние размеры (20—30 см), энергия (,. 10 кДж) и максимальное время существования (до 15 мин) ШМ. Следовательно, ионизующее воздух излучение как следствие распада некоего неустойчивого состояния материи обладает средней длиной пробега его частиц в воздухе 10—15 см. Но такую величину пробега в воздухе имеют лишь электроны бета-распада нейтрона. Это наводит на мысль, что в центре ШМ может располагаться миниатюрная капелька нейтронной материи, при распаде которой под воздействием электронов и формируется шар ионизованного воздуха.

При энергии ШМ в 10 кДж (это сопоставимо с энергией импульса в ЛУТС) и энергии распада нейтрона в 1,3 МэВ количество барогенерированных нейтронов, требуемое для обеспечения существования ШМ, составит 5 -1016^ При концентрации частиц в 1025 см-3, что соответствует максимальной достигнутой в экспериментах с ЛУТС плотности плазмы в 30 г/см3 [Афанасьев и др., 1982], радиус обогащенной нейтронами капельки в центре ШМ составит лишь "" 0,017 мм! Эта оценка хорошо согласуется с уникальной и самой загадочной способностью ШМ проходить сквозь отверстия размером в первые сантиметры, узкие щели и даже трещины в оконном стекле (миллиметры!), не теряя при этом своего феноменального «лица». Период полураспада свободного нейтрона составляет "" 17 мин и тоже близок к верхнему пределу существования ШМ. Неплохо в такой интерпретации объясняются и другие странности этого феномена. Как справедливо подчеркивают А. Н. Дмитриев и В. К. Журавлев [1984], ШМ может оказаться минимоделью Тунгусского феномена, в истории изучения которого почти повторилась судьба ее исследований...

В случае ШМ центральная капелька нейтронной материи настолько мала по размеру и массе, что энергии ее распада хватает лишь на ионизацию и слабый нагрев окружающего воздуха  (исключая некоторые экстремальные ситуации со взрывом ШМ [Стаханов, 1985 ]). Гипотетичность предложенной модели очевидна, но привлекает удовлетворительное объяснение с ее позиций большинства загадочных свойств ШМ. Ведь не секрет, что ни одна из многочисленных гипотез так и не помогла разгадать природу ШМ, несмотря на оптимизм некоторых авторов [Смирнов, 1987].

Итак, исходя из приведенных выше соображений и аналогий, на примере ШМ приходим к выводу, что при достижении мегабар- ного давления или некоего критического порога концентрации электронов в веществе практически любого состава и состояния, но предпочтительнее на границе сред или фаз может резко, с участием туннельных эффектов, возрастать вероятность электронного К-захвата или нейтринизации. Это приводит к накоплению нейт- ронноизбыточных ядер, которые стремятся освободиться от излишних нейтронов, что, в свою очередь, ведет к образованию свободной нейтронно-газовой фазы. При достижении определенной концентрации нейтронного газа возможна конденсация нейтронов в каплю нейтронной квантовой жидкости (центральное ядрышко ШМ). Затем, при снятии давления (в случае ШМ — после окончания разряда линейной молнии), начинается распад нейтронов, который сопровождается резким увеличением объема и нагревом вещества. Принципиально такой механизм взаимодействия баро- плазменного ядра Земли с некоторой долей в ней нейтронной фазы и ее внешних оболочек предполагался в нашей модели строения Земли [Колясников, 1985 ].

Возвращаясь к другим, уже геологическим аналогиям — импактным событиям с достижением в них близмегабарных критических давлений, можно высказать предположение, что общий в них процесс, так же как и в преобразованиях вещества в ядре Земли,— барогенерация нейтронов путем принудительного электронного К-захвата и формирование бароплазмы. Этот аспект, имеющий сугубо земную привязку, ставит под сомнение утверждение астрофизиков о том, что нейтрализация может начаться лишь при плотности вещества в 1011—1014 г/см -. Поскольку такой вывод влечет за собой серьезные последствия, следует лишний раз подчеркнуть, что вероятность К-захвата, этого слабоэнергетического ядерного превращения, изменяется под воздействием внешних факторов. Так, ее увеличение с возрастанием давления для ряда короткоживущих изотопов давно было установлено экспериментально при килобарных давлениях [Чечев, Крамаров- ский, 1978]. При близмегабарном давлении она может изменяться уже скачком, с участием туннельных эффектов, и иметь таким образом характер спонтанной нейтронизации. И пока подобные давления в стационарном режиме в достаточно .большом объеме не достигнуты, гипотеза имеет право на существование.

Участие в геологических процессах такого мощного и универсального энергомассоносителя, как образующаяся из нейтронной фазы водородная плазма (протонный газ В. Н. Ларина, Н. П. Семененко), позволяет объяснить многие пока загадочные геологические явления (аномально низкая вязкость коматиито- вых, трапповых и игнимбритовых потоков, уникальная концентрация энергии извержений и др.).

Элементарный расчет энергии распада нейтронов бароплазмен- ного ядра планеты земного типа, находящегося в состоянии нейтронной квантовой жидкости 5, даже при концентрации нейтронов в нем всего 2 • 1025 см_з (плотность такого вещества составляет нужные 35 г/см3, по [Кузнецов, 1984]) дает на весь объем ядра современной Земли (2^ 1026 см3) энергию денейтронизации, равную 5,2^1051 МэВ. Следовательно, взрыв Астерона [Воронцов-Вельяминов, 198 7; Чурюмов, 1980] действительно смотрелся бы из ближайшей звездной системы как вспышка новой (энергия около 1052 МэВ), а может быть и Сверхновой (1055 МэВ) звезды?! Здесь следует напомнить, что основным источником радиоактивных и вообще тяжелых элементов пока считаются именно Сверхновые, причем с образованием большинства таких ядер в процессе взрыва-вспышки [Псковский, 1985; Фесенков, 1976; Чечев, Крама- ровский, 1978; Шкловский, 1984]. И снова неясен и крайне маловероятен способ их доставки с гетерогенным распределением в Солнечной системе, включая обогащение ими лишь верхней части литосферы Земли [Рудник, Соботович, 1984]. Однако при подаче такой радиоактивной порции вещества от чрезвычайно редкой вспышки Сверхновой в ближайшей окрестности Солнечной системы ими должны были обогатиться все ее тела, включая Луну, чего на самом деле пока не установлено. Если же действительно для начала генерации нейтронов необходима не фантастическая плотность  , а лишь достижение близмегабарного внешнего давления (например, 1,4 Мбар на границе мантии и ядра Земли), то тогда возникает необходимость пересмотреть сам сценарий образования и эволюции нашей планетной системы, который в последние годы неоднократно обновлялся [Кузнецов, 1984; Ларин, 1980; Рудник, Соботович, 1984]. Одна из таких попыток была предпринята автором ранее [Колясников, 1985].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Афанасьев Ю. В" Басов Н. Г., Гамалий Е. Г. Физические явления в поле

лазерного луча // Природа.— 1982.— No 6.— С. 4—16. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния.— М.:_Мир, 1983.— 287 с. Взрывные кольцевые структуры щитов и платформ/В. И. Ваганов,

п. Ф. Иванкин, П. Н. Кропоткин и др.— М.: Недра, 1985.— 200 с. Воробьев А. А. Физические условия залегания вещества в земных недрах.—

Томск: ТПИ, 1971.—211 с. Воронцов-Вельяминов Ю. А. Роль гравитации и ядерных сил в создании астероидов и комет // Кометный циркуляр, No 370, 23 июля 1987 г.— Киев: ГАО АН УССР, 1987.— С. 2-4. Дмитриев А. н., Журавлев В. К. Тунгусский феномен 1908 года — ВИД солнечно-земных взаимосвязей.— Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1984.— 144 с.

Изох Э. П" Ле Дык Аи. Тектиты Вьетнама. Гипотеза кометной транспортировки // Метеоритика.— М.: Наука, 1983.— Вып. 42.— С. 158—169. Капустинспий А. Ф. К теории Земли // Вопросы геохимии и минералогии.—

М.: Изд-во АН СССР, 1956.— С. 56-88. Колясников Ю. А. Эволюция вещества литосферы Земли.— Магадан:

СВКНИИ ДВНЦ АН СССР, 1985.— 31 с. Кропоткин П. Н. Пульсационная геотектоническая гипотеза В. А. Обручева и мобилизм // Проблемы расширения и пульсаций Земли.— М.: Наука, 1984.— С. 24-34.

Кузнецов В. В. Физика Земли и Солнечной системы (модели образования и

эволюции).—Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1984.— 92 с. Лаврухина А. К" Мильникова 3. К" Игнатенно К. И" Стахеева С. А. Исследование превращения вещества при ударных процессах // Метеоритика. — М.: Наука, 1984.— Вып. 43.— С. 83—90. Ларин В. Н. Гипотеза изначально гидридной Земли.— М.: Недра, 1980.— 216 с.

Попова С. В" Бенделиани Н. А. Высокие давления.— М.: Наука, 1974.— 168 с.

Псковский Ю. П. Новые и сверхновые звезды.— М.: Наука, 1985.— 208 с. Редкие события в геологии // Природа.— 1986.— No 1.— С. 53—66. Рудник В. А" Соботович Э. В. Ранняя история Земли.— М.: Недра, 1984.— 350 с.

Смирнов Б. М. Шаровая молния — что это такое? // Природа.— 1987.— No 2.— С. 15—26.

Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии.— М.: Энергоатом- издат, 1985. — 209 с.

Фесенков В. Г. Солнце и Солнечная система: Избр. труды.— М.: Наука,. 1976.- 506 с.

Чечев В. П., Крамаровский я. М. Радиоактивность И эволюция Вселенной.- М.: Наука, 1978.- 208 с.

Чурюмов К. И. Кометы и их наблюдение.— М.: Наука, 1980.— 113 с.

Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть.— М.: Наука, 1984.384 с.

Шуколюков Ю. А., Явнель А. А. О происхождении тектитов // Метеоритика. — М.: Наука, 1986.— Вып. 45.- С. 156—164.

Glass В. Р., Muenow D. W., Aggrey К. Е. Further evidence for the impact origin of tektites // Meteoritics.- 1986.- V. 21, N 4.-Р. 369-370.

Shoubert G. Sur les reactions provoques par la chute de granaes meteoritic (d'apres l'etude des crateres meteoritiques des impactites et des tektites) /l Notes Serv. geol.- Maroc: Rabat, 1977.— V. 38, N 268.