K S. WŁODZIMIERZ SEDLAK
W ULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI W GEOENERGETYCZNYM ZESPOLE ZJAW ISK
W n ętrze Ziem i je s t d o stę p n e badaniom je d y n ie p ośred n io ma z a s a d z ie p rzech o d zen ia 1 fa l sejsm iczn y ch ii p rzez „o tw a rte okno Ziemi" —
■wulkany. W ten sp o só b izarysow yw u ją slię d w a p o d sta w o w e zjaw isk a, m ia n o w ic ie tr z ę s ie n ia ziem i i w ulkanizm . D e fin ic je o b u itych zja w isk s ą ziw ykle p e w n e g o rod zaju o p isem , n ie p od ają b o w iem stro n y g e n e ty c z n e j. N a sk u tek n iek o m p letn o ści d an ych o d n o śn ie do w n ętrza Ziemi te o r ie w y ja śn ia ją c e oba t e fe n o m e n y m uszą p o zo sta ć hipotezam i.
STAN ZAGADNIENIA
1. W a rstw o w y , c z y li n ie c ią g ły układ Ziem i za sta ł stw ierd zo n y na p o d sta w ie różnic w p rzech o d zen iu fal sejsm iczn y ch . Sporna p o zo sta je ty lk o ilo ś ć geostref. Jądro Z iem i o p rom ien iu ca. 3470 km daje tylk o
„ cień sejsm iczn y", g d y ż fa le p op rzeczn e n ie przech od zą p rzez n ie.
Ilo ść g eo stref je s t ró żn ie przyjm ow ana. L. W . A dam s 1 przyjm uje lito sfe r ę do 60 km, strefę perydotyitow ą do 2900 km, jądro o prom ieniu 3400 km, K. E. B u lle n 2 w y ró żn ia n ie c ią g ło ś ć n a g łę b o k o śc i 400 i 1200 km. A . M o h a r o v ic ic 3 w y o d r ę b n ił w a r stw ę n ie c ią g ło ś c i n a 60 km od d ziela ją cą sk o ru p ę ziem sk ą o d jej p o d ło ża . H. J e ff r e y s 4 w y k a za ł n ie c ią g ło ś ć w n ętrza jądra ziem sk ieg o na g łę b o k o ś c i 5100 km.
S ło w n ic tw o g e o fiz y c z n e p o sz c z e g ó ln y c h w a rstw je s t d o sy ć z a g m a tw a n e i d o w o ln e 5 U sta le n ie p a ra leli n a z w jest często n iem o żliw e.
D la u p roszczen ia p rzyjm iem y tutaj p od ział na: sial (w arstw a kw aśna, g ra n ito w a ), za sad ow ą sim ę (w arstw a b azaltow a, w z g lę d n ie o cech ach
1 L. W. A d a m s , The Earth's interior, its nature and composition, „The Scientific Monthly", 44 (1937) 199—209.
2 K. E. B u l l e n , The variation oi density and the ellipticities of stra
ta oi equal density within the Earth, „Geophys. Suppl. Monthly Notices Royal Astronomical Soc.'', 3 (1936) 395—401.
3 A. M o h o r o v i c i c , Das Beben von 8 October 1909, „Jahrbuch des meteorolog. Observatoriums, Zagreb für 1909".
4 H. J e f f r e y s , The Structur oi the Earth down to the 20° Discontinity,
„Geophys. Suppl. Monthly Notices Royal Astronomical Soc.", 4 (1938).
5 E. W. J a n c z e w s k i , Zarys sejsmologii ogólnej i stosowanej, War
szawa 1955, s. 217. i
diaibazu) i w a rstw ę p ery d o ty to w ą (ultrazaisadową) b o g a tą w oliw im y.
Sp osob y teg o zró żn ico w a n ia są n iezn an e i w w aru n k ach lab oratoryj
n y ch n iep ow tarzaln e 6. W każdym razie k o n cep cja ró żn ico w a n ia treści chem icznej Z iem i n a zasadach p ieca h u tn iczeg o w y su n ię ta p rzez Go-ld- schm idta jest n iesłu szn a 7.
E. K r a u s8 sądzi, ż e siaiłsima na sk u tek p r o c e só w k o n w e k c y jn y c h zróżn icow ała s ię n a sia l i sim ę. Poniżej dopiero le ż y padeosimia n a g łęb o k o ści 100 do 1200 km.
2. P rzyozyn y p o w sta w a n ia geosynlklin s ą n iezn a n e. K ilka te o r ii u si
łu je w y ja śn ić ,to zjatwisko. E. S u e s s 9 widizi p r z y c z y n ę w k o n tra k cji w n ętrza Ziem i ma sk u tek sty g n ięcia . W ed łu g D. G riggsa 10 p rąd y k o n w e k c y jn e w stęp u ją ce zw ięk sza ją sw o ją szy b k o ść w m iarę n a g rzew a nia. Prądy n atom iast z stęp u ją ce w m iarę ochładzania zm n iejszają pręd
k ość. Te o sta tn ie prądy w c ią g a ją skorupę ziem sk ą p o w o d u ją c p o w sta n ie g eo sy n k lin . E. K r a u s11 przyjm uje d w a prądy m agm ow e na ró ż
n ych poziom ach (hyporeon i b atyreon). Prądy w stęp u ją ce p ow od u ją zagłęb ien ia, k tó re na sk u tek ss ą c e g o działania w głąb dają g e o sy n - k lin y. Z agadnienie p o w sta w a n ia g e o sy n k lin je s t p ierw szo rzęd n eg o zn aczen ia z e w z g lę d u na zaburzenia sta ty k i b r y ły ob rotow ej i d al
sze k o n sek w en cje.
3. Z agadnienia term odynam iczne Ziem i ro z w ią z y w a n e n a r e lik to w y m zap asie ciep ła w nętrza, rezerw ach p ierw ia stk ó w ra d io a k ty w n y c h i ciep ła d o sta rcza n eg o p rzez S łoń ce (istała sło n eczn a ) ok azu ją
się n ied o sta teczn e. O d d zieln e .zagadnienie w z g lę d n ie d ob rze pozn an e sta n o w i g eom agn etyzm i graw itacja. O statnio p od jęto badania' g e o elek try czn e sci.
4. N ie jest r o zstrzy g n ięty skład chem iczny, and stan m aterii w e w nątrz Ziem i. H ipoteza W . S. W ash in gton a 12 przyjm uje jądro z m e ta lic z n e g o żelaza. W . Kuhn i A. Riittmann 13 są sk ło n n i w id z ie ć jądro zbudow ane z hiom ogennych krzem ian ów (pierw otnej m aterii s ło n e c z n ej) z dużą k on cen tracją w odoru. Rittmann przyjm uje to zd an ie r ó w n ie ż -w ostatn iej pub lik acji k siążk ow ej z 1960 r.14 W . H. R am sey 15 6 G. F i s c h e r , Die Unterkruste von Standpunkt des Petrographen, ,YGeologischer Rundschau", (1957) 46, 130.
7 V. M. G o l d s c h m i d t , Geochemische Verteilungsgesetze der Ele
mente, L—IX Skr. Norske Vid. Akad., Oslo 1922— 1938.
8 E. K r a u s , Vergleichende Baugeschichte der Gebirge., Berlin 1951 i 9 E. S u e s s, Das 'Antlitz der Erde, Wien 1885—1909.
10 D. G r i g g s , A Theory oi Mountain Building, „Americ. Jour.", 1939.
11 E. K r a u s, op. cit.
12 H. S. W a s h i n g t o n , Chemical Composition of the Earth, „Americ Jour, of Science", (1925) 351—378.
W. K u h n , A. R i t t m a n n , Ueber den Zustand des Erdinnern und seine Entstehung aus einem homogenen Urzustand, „Geologischer Rundschau"- 1941, 32, s. 215—256.
14 A. R i t t m a n n , Vulkane und ihre Tätigkeit, Stuttgart 1960, s. 307—312.
15 W. H. R a m s e y , On the Natur oi Earth's Core, „Monthly Notices of the Royal Astronomical Soc. Geophys. Suppl.", 5 (1949) 407_426.
WULKANIZM -I' TRZĘSIENIA ZIEMI 4 7
jest zdania, ż e k rzem ian y tw o rzą w jądrze sp e c ja ln y stan m eta lic zn y n a sk u te k kryitycznego c iś n ie n ia . A to m y uwąlńjiaiją w te d y sw e z e w n ętrzn e elek tro n y .
ZIEMIA JA K O UKŁAP ENERGETYCZNY
Z iem ię n a le ż y m zpaltryw ać jak o ca ło ść. W y o d ręb n ia n ie c z ę śc i je s t k o n ie c z n o śc ią je d y n ie m etod yczn ą. .N ajogóln iejsza k o le jn o ść w a r stw lic z ą c ku środkoswi je s t n a stęp u jąca: atm osfera, hyd rosfera, sial, sim a, w a rstw a p r z e jśc io w a p ery d o ty to w a , jądro zew n ętrzn e i jądro w ew n ętrzn e z gran icą na g łę b o k o ś c i 5100 km . W y lic z o n e tu taj g e o str e fy są bardzo sch em a ty czn e. C hodzi 10 zasad n icze p o d k r e śle n ie n ie c ią g ło ś c i. Ilość, rozm iary, w y r a z isto ść granic sta n o w ią sz c z e g ó ły drugorzęd n e. N ie c ią g ło ść sejsm iczn a w y m a g a jednak in terp reta cji. C zy m am y d o c z y n ie n ia w Ziem i z n ie c ią g ło ś c ią fizyczn ej natu ry, c z y te ż w y stę p u je zasadnicza różnica w sk ła d zie chem icznym . N o w sz e te o r ie b y ły b y sk ło n n e w id z ie ć h o m o g en n ą 'masę krzem iano
w ą różn icu ją cą s ię w tó rn ie. R ozpatryw anie, p o sz c z e g ó ln y c h w a rstw Ziem i jako ró żn y ch śro d o w isk e n e r g ety czn y ch je s t słu szn iejsze, n iż tra k to w a n ie ich jako o d m ien n y ch r eg io n ó w m aterii. G eo strefy są w te d y w y ró żn io n y m i elem en tam i ca ło śc i e n e rg ety czn ej. P r zy jęcie jed n orod n ego w za sa d zie m ateriału k rzem ia n o w eg o od p o w ia d a ła b y bardziej p ierw otn em u w y m iesza n iu m aterii k o sm iczn ej. R óżn icow a
n ie m a sy k rzem ianow ej je s t w te d y zja w isk iem w tórnym .
Z różnicow anie na sia l, sim ę i w a r stw ę p e r y d o ty to w ą je s t w o b e c n ym sta n ie Z iem i faktem . K w estię sta n o w i ty lk o p rzeb ieg zróżn ico
w a n ia m a sy k rzem ia n o w ej. S eg r e g o w a n ie sk ła d n ik ó w jest m o ż liw e
„na zim no" ńa zasadach d y fu zji jo n ó w i elek tro n ó w p rzez d efek ty s ie c i k ry sta liczn ej. D efek ty t e m o g ą b y ć w n atu raln ych k ryształach o charakterze geo m etry czn y m alb o c h e m ic z n y m 1G.
D e fe k ty geo m etry czn e d zielą s ię na: 1. m ak rosk op ow e — p ę k n ię cia, s z c z e lin y , p u ste p rzestrzen ie w ie lk o ś c i pow yżelj 1 0 —3 cm; 2. m i
k r o sk o p o w e — jak p op rzed n io, rozm iarów 10 —5 do 10 ~ 3 cm; 3. su b - m ik ro sk o p o w e — p on iżej 10 cm: a) budow a m ozaik ow a w y r a ż a ją ca s ię w o d c h y le n ia c h p ro sty ch s ie c io w y c h o d śred n iego kieru n k u o 1— 2°; b) d e fe k ty s ie c io w e o rozm iarach kom órk i elem en tarn ej.
Tutaj m o g ą b y ć 2 ty p y : ty p B renkla (p rzesu n ięcia jo n ó w do prze
strzen i m ię d z y w ę z ło w y c h ) i ty p S ch o ttk y 'eg o (część w ę z łó w n ie o b sa - dzona). D e fe k ty ch em iczn e są n astęp u jące: 1. P o d sta w ien ie elem en tu s ie c i m a cierzy stej przez in n y ró żn y ch em ia zn ie jo n (atom) ailbo p o d sta w ie n ie jon u ujem n ego p rzez elek tron , w z g lę d n ie od erw an ie d o d a tk o w eg o elek tro n u z sie c i. O k reśla s ię to jak o „dziurę elek tro n o w ą '1.
18 J. C h o j n , a c k i , Krystalograiia chemiczna i lizyczna, Warszawa 1961, s. 288—289.
2. B k scy to n y — w y stęp u ją ca para „elektron— dziura". K ry szta ły jo n o w e m ogą w y k a zy w a ć przew od n ictw o zarów no elek tron ow e, ja k i jo n o w e . W p o d w y ższo n ej (temperaturze lu b n a sk u te k p r z y ło ż e n ia z e w n ętrzn ego p o la elek try czn eg o m o że z a istn ieć n a k ład an ie s i ę prądu e le k try czn eg o n a prąd elek tro lity czn y , c z y li j o n o w y 17. R u ch liw o ść jo n ó w w zrasta z tem peraturą. Badania nad kw arcem w y k a za ły :
tem peratura p o k o jo w a — ru ch liw o ść 10 —'7 cm2/V se k . 300° C — „ 10 —4 cm 2/V sek .
900° C — „ 0,1 cm 2/V sek .
R ozpatrując Z iem ię „na przekroju" ob serw u je się w w a rstw a ch przynajm niej ibardziej zew n ętrzn y ch o d tle n ie n ie i o d k w a szen ie sk ła du ch em iczn ego. R zecz ilustruje t a b lic a 18:
rodzaj skały SiOj AljOj MgO KaO Na20 CaO Fe2O j+FeO
granit alkal. 75,22 9,53 0,09 4,06 4,78 1,08 4,50
granit aplit. 75,70 13,17 0,15 4,77 3,59 0,92 1,17
porfir kwarc. 76,65 11,76 0,27 5,61 3,36 0,45 1,99
gabro 48,61 17,83 8,23 0,32 2,63 13,72 7,31
diabaz 50,20 16,08 6,82 1,24 2,38 11,06 13,17
bazalt 50,32 12,83 7,39 0,41 2,60 10,40 11,67
perydotyty
dunit 38,82 2,24 44,28 — 0,20 — 7,94
hornblendyt 44,78 9,38 16,85 0,20 2,24 10,85 12,21
O rien tacyjn e dane w sk a zu ją n a o d a l ka 1izo w a n ie i o d k rzem ien ie p o stęp u ją ce w głąfo Ziem i przy jed n o czesn y m o d tlen ien iu . W a ż n y b ęd zie za p ew n e stosu n ek :
/ A l K N a \
^ \ F e M g Ca /
Z ależn ość t ę ilustruje ry su n ek 1. O g ó ln ie m ożna p o w ied zieć, że w zb o g a cen ie w tle n p o stęp u je o d środka Z iem i k u jej peryferiom . O dpow iednio, o b lic z o n e p ro cen ty w a g o w e tlen u d la w y ż e j w y m ie n io n y ch sk a ł w y n o szą :
17 A. F. J o f f e, Półprzewodniki w fizyce współczesnej, Warszawa 1956, s. 27 (tł. z ros.).
18 A. B o 1 e w s k i, Petrografia. Cz. I. Skafy magmowe, Kraków 1952, s.
145, 163, 191 (skrypt Akademii Górniczo-Hutniczej).
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 4 9
isial (skały kwaśne) 49,78%, sima (skały zasadowe) 44,82%, perydo- tyty (uiltrazasadowe) 43,14%. Odtlenienie dokonuje się w stopach na skutek kondensacji jonu SiC>4 wg reakcji:
(Si04) + (SiO i) - » -> (S12O7) - 6 + O- 2
Tia sama reakcja może zajść nie tylko w stopach, ale również przy rozluźnieniu sieci krystalicznej w następstwie ruchów termicz
nych atomów. Ubytek tlenu w środowisku krzemianowym wpływa na dalszą kondensację. Jon tlenowy może więc dyfundować poprzez sieć krystaliczną. Zjawisko kondensacji łączy się tutaj z deizoksy- dacją.
Hydrosfera składa się niemal z czystego tlenku wodoru, atmosfera natomiast zawiera jiuż 23,2% tlenu drobinowego. Należy przypusz
czać, że regularność odtlenienia ma swój początek w jądrze Ziemi.
Można ten fakt przyjąć na podstawie ekstrapolacji; odtlenienie po
stępuje w głąb Ziemi, mianowicie atmosfera, hydrosfera, sial, sima, warstwa perydotytawa. W tym kierunku postępując, winny się bliżej środka Ziemi znajdować związki chemiazne wykazujące niedobór O, Si, K, Na przy wzbogaceniu w Fe, Mg, Ca. Dyferencjacja związana z odtlenieniem postępującym w głąb Ziemi pozwala przypuszczać, że bliżej ijądra winny znaleźć miejsce reakcje beztlenowe, a więc związki ty p u 19: CaSi2, Ca2Si, Ca3Si2, SiS2, (S/S)x, Mg2Si, FeSi, Fe3Si2, FeSi220. Krzemki żelaza powstają jednak w temperaturze powyżej 19 H. R e m y , Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Leipzig 1955, t. II, s. 138.
20 G. J. F. Ma<2 D o n a l d , L. K n o p o f f , On the chemical composition oi the outer core, „Geophys. Jour.”, 1958, 1, s. 284—297.
4 — R oczniki filozoficzne
1000° C. N iek tó re przyn ajm n iej z w y m ie n io n y c h k rzem k ów m ia ły b y charakter w iązań m ięd zym etaliczn ych , a w ię c d u ż y ciężar w ła ś c iw y , o d c h y le n ia od 2iw ykłej w a r to śc io w o śc i, p rzew o d n o ść e lek try czn ą an a lo g iczn ą z .metalami.
W ła sn o śc i ch em iczn e i fizy czn e krzem u w y ja ś n iły b y w ie le z a g ad n ień z g eo fizy k i. Istn ieją ponadto s z e r o k ie m o ż liw o śc i w y m ia n y elek tro n ó w , jo n ó w i icałych grup ch em iczn ych . W r e z u lta cie w w a r stw ie k rzem ianow ej m o że za ch o d zić z ja w isk o dyfuzji elek tro n ó w , jo n ó w , ato m ó w c z y m awet c a ły c h grup. D y feren cja cja m a sy
k rzem ianow ej n a za sa d a ch p rzew o d zen ia e le k tr o n o w e g o (p rzew o
d zen ie p ó łp rzew o d n ik o w e) i jo n o w e g o oraz n a zasad ach p rzestrzeen o - a tom ow ych (kry sta l o ch em iczn a) m usi b y ć zja w isk iem bardzo p o s p o li
ty m w n atu raln ych w aru n k ach Ziemi, ch oć n ie z w y k le p o w o ln y m . Istn ieją jed n a k czyn n ik i, k tó re pnzyispieszalją t e p ro cesy , ja k w zro st tem peratury, p r z y ło żo n e zew n ętrzn e p o le elek try czn e luib m a g n e ty c z n e. S z c z e g ó ło w sz e o m ó w ie n ie ty c h p r o c e só w w ro zd zia le o term o d y n a m ic e Ziemi.
W rze c z y sam ej stw ierd zon a dezok syd acja, d esilifik a cja i d eza lk a - lizacja g eo stref w in n a b y ć rezu ltatem bardzo d łu g ieg o w .trw an iu p rocesu elek tro n o w eg o , jo n o w e g o i krystialochem icznego, k tó r y z a p e w n e i dziisiaij n ie je s t u k o ń czo n y . U za sa d n ien ie ta k p rzep row ad zo
n ej ek strap olacji m ielib y śm y w w arunkach p o za ziem sk ich rep re
zen to w a n y ch przez sk ład ch em iczn y m eteo ry tó w . P roporcje śred n ieg o sk ła d u m e te o r y tó w p rzed sta w ia ją s ię a n a lo g iczn ie ijafc w g łę b sz y c h w a rstw a ch Ziem i p rzy p rzejściu ze sk a ł k w a śn y c h d o galbra, p ęry - d o ły tó w , ek lo g itó w . Stw ierd zon o w ię k sz ą za w a rto ść Fe, M g , C r, S, n atom iast m niejszą z a w a rto ść O , Si, A l, K , N a *?. J e ż e li m e te o r y ty są rze c z y w iśc ie fragm entam i w ię k sz e g o ciała n ie b ie sk ie g o , strefy m a terii r o zk ła d a ły b y s i ę m niej w ię c e j 'analogicznie ja k w Z iem i.
Z p ro cesem tak pojętelj d y feren cja cji m a g m y łą c z y s ię za g a d n ie n ie przestrzennej natury. A n io n tlen u ma prom ień 1,40A , a k a tio n p o ta su 1,33A. N a sk u te k odkrzem ienia, o d tlen ien ia i o d alk alizow an ia m agm y zm ien iają sdę za sa d n icze r e la c je o b ję to śc io w e . S ia l sta je s i ę o b ję to śc io w o w ięk szy . Innym i sło w y , Ziem ia zew n ętrzn ie w zra sta przy m alejącym ciężarze w ła ściw y m . Sima n atom iast i w a rstw a p e r y d o ty - tiowa zw ięk sza ją sw o ją g ę sto ść i p od leg a ją kontrakcji na sk u te k u traty jo n ó w o dużym prom ieniu. Z iem ia w e w n ę tr z n ie k u r c z y się . R e la c je o b ję to śc io w e o d stro n y a to m o w ej p rzed staw ia r y sim ek 2. D iagram Fersm ana Został ze sta w io n y w e d łu g k la ik ó w w y stę p o w a n ia p ier
w ia stk ó w ch em iczn ych w lito sferze 22.
P raktycznie m ożna przyjąć, ż e struktura krzem ianow a Ziem i, p rzy
najm niej w zew n ętrzn ych g eostrefach lito lo g iczn y ch , b y ła b y zbudo- 21 A. A. S a u k ó w , Geochimia, Moskwa 1950, s. 60 (tł. poi.).
12 A. E. F e r s m a n , Geochimia, 1934, 1936, 1939, Za: K. S m u l i k o w s k i , Geochemia, W arszawa 1952, s. 179.
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 51
wiana z jo n ó w tle n o w y c h zajm u jących p ra w ie całą o b ję to ść , in n e n a to m ia st jo n y w y p e łn ia ły b y ty lk o znikom e c z ę ś c i przestrzeni.
Dyfuzjja jo n ó w i elek tro n ó w oraz r ó żn ico w a n ie n a ty c h zasad ach miaigmy w in n y s ię łą c z y ć z w y d z ie la n ie m ciep ła k on d en sacji. T em pera
tura je s t o k o liczn ością w ażną, p rzew o d n ictw o b ow iem p ó łp rze
w o d n ik ó w w zra
sta w te d y n ie z w y k le. R óżnica p o te n c ja łó w e le k tryczn ych , jaką o b serw u jem y m ięd zy lito sferą i atm osferą, m usi być zjaw isk iem częstszy m i w śró d in n ych geostref.
Badania idą po lin ii w y k r y w a nia p o tężn y ch prąd ów p ły n ą
cy ch n a zn acz
n y ch g łę b o k o ś
ciach 23.
Tak p o jęta dy- feran cjacja m a
g m y p o zw a la na in n y ch zu p ełn ie zasad ach ro zw ią za ć p o w sta w a n ie g e o sy n k lin . Dno O cean u S p o k o jn eg o p o z b a w io n e sialu , jak w y k a zu ją badania sejsm iczn e i g ra w ita cy jn e, m o g ło s ię u rzeczy w istn ić w in n y sp o só b n iż na sk u tek o d erw an ia s ię w k arb on ie m a sy K się
ż y c a (T aylor). W ędrów ka elek tro n ó w i jo n ó w różn icu jąca m asę k rze
m ia n o w ą m u si doznać o d ch y len ia w p o lu m a g n ety czn y m Ziemi.
W p ły w te n w in ie n b yć n a jw id o c z n ie jsz y n a b iegu n ach m a g n ety cz
n y ch , ch arak teryzu jących s ię m ak sym aln ym za g ęszczen iem lin ii p ola m a g n e ty c z n e g o . C ałość zjaw isk a w in n a s ię k om p lik ow ać o ruch w i
r o w y Z iem i i o d ch y len ie o s i obrotu od o s i m a g n ety czn ej. Efektem zew n ętrzn y m w in n o b yć w o sta te c z n o śc i w ie ń c o w e u ło żen ie sialu w o k ó ł b ieg u n a g eo g ra ficzn eg o N , ró w n o zn a czn eg o z b iegu n em m a
g n e ty c z n y m S. R yc. 3 p rzed staw ia p rzeb ieg z ja w isk a na przekroju Ziem i.
28 U. F l e i s c h e r , Ein Erdstrom im tiefen Untergründe Norddeutsch- lands’ während erdmagnetischer Baystörungen, „Naturwissenschaften", 1954,
41, s. 5.
___ _ linie pola gcomagncftanego
U b oczn ym rezu ltatem o d ch y la ją c e g o d zia ła n ia ,pola m a g n e ty c z n e g o n'a elek tro n o w e i jo n o w e zró żn ic o w a n ie pnatmagimy w in n o b y ć o d sło n ię c ie sim y . O braź te n m am y w obecnym Pacyfik/u w y k a zu ją cy m brak sialu. W o k ó ł P acyfik u u ło ż y ł się. sia ł w form ie sta r y c h tarcz:
k a n ad yjskiej, b ra zy lijsk iej, A n ta rk ty d y (?), a u stra lijsk iej, sy b e r y jsk ie j, in d y jsk iej, b a łty ck iej. Ryc. 4. To ,,przyrówn'iikowe'' n a g ro m a d zen ie olb rzym ich m as sialiicznych przy u m iejsco w ien iu b ie g u n a g e o g r a fic z n e g o N ń a P acyfik u jest bardzo ch arak terystyczn e.
O d w rotn ego zja w isk a n a le ż a ło b y o c z e k iw a ć n a p r z e c iw le g ły m b ie g u n ie m agn etyczn ym . Linie pola m a g n ety czn eg o w in n y sk u p ia ć z a rów n o elek tron y, jak i aniony, da(jąc pręybieigunow e n a g ro m a d zen ie sialu. Przy lo k a liza cji b iegu n a N na P acyfiku, b ieg u n S w y p a d łb y na ta rczy afrykańskiej (część połu d n iow o-zach od n ia). A n a lo g ic z n ą s y t u a cję stw ierd zam y Obecnie. B iegun Ziemski N je s t m orsk i, b ie g u n S n atom iast ląd ow y. Przy o s i ziem sk iej idącej przez Paicyfik i ta rczę afryk ań sk ą w ię k sz o ść lą d ó w b y ła skupiona, p o d o b n ie ja k o b e c n ie , n a p ó łk u li p ółn ocn ej, zajm ując p o z y c ję 'bardziej p rzy ró w n ik o w ą . S iła od środ k ow a m usiała za p ew n e b yć w te d y w ię k sz a n a sk u tek k ró tszej
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI • 5 3
d ob y. R ozkład w ie ń c o w y sitarych tarcz zgad załb y się z tym i o k o lic z nościam i.
Lokata bieg.una N nia P acyfik u nde p rzedstaw ia r z eczy n iem o żliw ej.
N iow sze badania uznają szeroką ro zp ięto ść w ę d ró w ek b ieg u n a o d A m eryk i P ółn ocn ej przez Europę 2i, Indie 25, A u stra lię 26. R uncorn 27 d o ch o d zi w badaniach p aleom agn etyzm u sk ał do w n io sk u , że biegu n m a g n ety czn y w prekam brze i kam brze w ęd ro w a ł p rzez A m ery k ę P ół
n o cn ą d p ó łn o c n y P a c y fik 28. N a le ż y przyp u szczać, ż e P a cy fik jest jedną ze sta ry ch g eo sy n k lin p o w sta ły c h w rezu lta cie d y feren cja cji miaisy krzem ian ow ej n a zasadach dryfu e lek tro n o w eg o i jo n o w e g o . P acyfik przynajm niej w p ółn ocn ej siwej cz ę śc i b y łb y g eo sy n k lin ą , je ś li n ie najstarszą w historia Ziemi, to w każdym razie najm niej zaburzoną p ó źn iejszy m i p rocesam i geologiczn ym i.
W NIOSKI — HIPOTEZY ROBOCZE
1. Ziemia k u rczy s ię n ie tyle. w n a stęp stw ie z ja w isk term iczn ych , ile naezej o b j ętośoiow o-atam o w o n a sk u tek Ubytku tle n u b dużym pro
m ieniu jo n o w y m i potasu.
2. Kontrakcja Ziem i rozpoczyna się od środka, a n ie, ja k -są d zo n o , o d zew n ątrz na sk u tek o sty g a n ia .p ow ierzch n iow ego.
3. Z agęszczen ie m aterii w ew n ą trz Z iem i jest ró w n ozn aczn e z jej rozrzedzaniem w p ery fery czn y ch w arstw ach sia lia zn y ch . Siad jed n o c z e śn ie z w ięk sza sw ą o b jęto ść jon ow o.
4. W zrost z a w a rto ści Fe w jądrze ziemlskim dokonał się jako p ro ces w tó r n y w n a stę p stw ie o d tlen ien ia, odkrzem ienia i lodalkalizow ania p ierw otn ej m asy k rzem ianow ej.
5. Trzeba się z d e c y d o w a ć n a jed n ą z d w óch ew en tu a ln o ści: czy chodzi o p o w sta w a n ie za g łęb ień skorupy ziem sk iej w p o s ta c i geiosyn- k lin za p ełn ia ją cy ch s ię w od am i ofceanów i isedym entam i, c z y te ż o w y p iętrzen ie co k o łó w sialiicznych ponad m niej w ię c e j r ó w n ą p o w ierzch n ię dna praoceanu. P ierw szy pun k t w id zen ia je s t bardziej „geologiczn y"
i w z ię ty je s t z p r o c e só w sed y m en ta cy jn y ch . D rugi n atom iast punkt b y łb y ibardziej „ geofizyczn y" i r e p rezen to w a łb y sto su n k i p ie r w o tn e . P rzed sta w io n y tutaj schem at u w zg lęd n ia o b ie m o ż liw o śc i je d n o c z e ś n ie — p o w sta n ie g e o sy n k lin i w y p ię tr z e n ie c o k o łó w sialiicznych.
24 E. I r v i n g , Palaeomagnetic and palaeoclimatological aspects of po
lar wandering, „Geofis. pura e appl.", 1956, 33, s. 23—41.
25 E. I r v i n g , R. G r e e n , Polar m ovem ent relative to Australia, „Geo- phys. Jour.", 1958, 1, s. 64—72.
26 E. R. D e u t s c h , Recent palaeomagnetic evidence lor the northward movem ent ol India, „J. Alberta Soc. Petrol. Geol.'1, 1958, 6, s. 155— 162.
27 S. K. R u n c o r n , Rock magnetism-geophysical aspects, „Phil. Magn.
Suppl.", 1955, 4, s. 244—291.
28 A. R a d o m s k i , Zagadnienie w ędrów ki biegunów w św ietle ostat
nich badań nad paleomagnetyzmem skał, „Wszechświat", (1961), z. 4, s. 89—92.
WULKANIZM I TRZĘSIENIA' ZIEMI 5 5
. 6. P r z y ję c ie jed n eg o p raląd u (Pangea) w y d a je s i ę m ało p raw d op o
d ob n e z p o w o d u sta ty k i b r y ły ob rotow ej i p r o c e só w g e o sy n k lin a l- n y ch ,
TERMODYNAMIKA ZIEMI
O g r a n ic z e n ie term od yn am ik i Z iem i do p r o c e só w s ty g n ię c ia ma sk u tek p ro m ien io w a n ia w p rzestrzen ie k o sm iczn e oraz do p ro cesó w uzu p ełn ian ia rezerw c ie p ln y c h sta łą sło n eczn ą i p ierw iastk am i pro
m ien io tw ó rczy m i je s t zu b o żen iem p rob lem atyk i term odynam icznej Ziem i. A . R ittm a n n -9 w p raw d zie rozróżnia sz c z e g ó ło w o źródła en erg ii w Z iem i k la sy fik u ją c je n a „kosm iczne" i „teluryczne", m im o w s z y s t
k o z e s ta w en erg ii n ie je s t an i w y sta rcza ją cy , ani o d d ający is to tę ter
m od yn am iczn ych p ro cesó w .
W Ziem i rozp atryw an ej łą czn ie ze w szy stk im i strefam i m ożna ro z
różn ić 3 rod zaje en e r g ii o zasad n iczym zn aczen iu : m echaniczną, e le k tryczn ą ,i term iczn ą w zn a czen iu fen o m en o lo g iczn y m . Pom ijam y przy ty m su b te ln o śc i te r m in o lo g io z n e d la p rzejrzy sto ści olbrazu. Entropia je s t d o p iero k o ń c o w ą fazą u tra ty en erg ii n iezd o ln ej do w y k o n a n ia p racy p o w ie lk im za k o lu e n e r g e ty c z n y c h p rzem ian w Ziem i. Ziem ia sta n o w i sk o m p lik o w a n y transform ator z układem, „ w e jść ” i „w yjść"
e n e r g ety czn y ch .
A ) E n e r g i a m e c h a n i c z n a w Z iem i je s t w y n ik ie m jej p rzy n a le ż n o ś c i d o sy stem u p la n eta rn eg o . W b rew p ierw o tn y m p rzyp u szcze
niom , ż e w a ru n k i a stro n o m iczn e w ery fik u ją ruch jed n o sta jn y , coraz c z ę śc ie j stw ierd zam y, że sto su n k i p lan etarn e n ie p otw ierd zają is tn ie n ia ruch u jed n o sta jn eg o w przyrod zie. N ie ty lk o p ręd k ość orbitalna p o sia d a o k r e sy p r z y sp ie sz e n ia i op óźn ien ia, le c z zm ienia się rów n ież p ręd k o ść w iro w a i to zarów n o w d łu gich ok resach czasu, jak i n a g le w sp o só b n iep ra w id ło w y (De Sitter, Brown, Spencer, Jones). Sum a
r y czn y efek t jest bardzo zn aczn y w ro zm ieszczen iu b ie g u n ó w 30 i r ó w n ik a 31. Z ależn ości e n e r g e ty c z n e są sp rzężon e i przed staw iają ta k z a w iły obraz, że trudno rozstrzygn ąć, co je s t skutkiem , a co p rzyczyn ą.
P o n iew a ż proporcje graw itacyjn o-m ech an iczn e p ozostają zasadni
czo t e sam e w układzie „ S ło ń ce— Ziem ia—K siężyc", n ie w y stę p u je ró w n ież czy n n ik tarcia, p rzynajm niej w rozm iarach w ym agających u w zg lęd n ien ia , w o b ec te g o p r zy czy n y n iejed n o sta jn o ści ruchu m uszą tk w ić w e w n ą tr z Ziemi, a w ię c w ro zk ła d zie m as i przem ieszczaniu środka c ię ż k o ś c i. U m ie jsc o w ie n ie środka g ra w ita cy jn eg o w środku g eo m etry czn y m b ry ły i zred u k o w a n ie go do punktu fiz y c z n e g o jest
29 A. R i t t m a n n , Zur Thermodynamik der Orogenese, „Geologischer Rundschau", 1942, 33, s. 485.
80 D. K r e i c h g a u e r , Die Aequatorlrage in der Geologie, Steyl 1902, s. 394.
31 W .. K S p p e n , Die Wanderung des Nordpols seit der Steinkohlenzeit,
„Meteorolog. Zeitschr.", (1940) 106— 110.
słu szn e dla m ech an ik i d w u m as i to jako scheim atyzacja zagad n ien ia.
O rozm ieszczen iu w ie lk o ś c i g ra w ita cy jn y ch je d n e g o w ie lk ie g o cia ła w ie m y n ie w ie le i to je d y n ie przez a n a lo g ię z za g a d n ien iem d w ó ch m as. Przy ty c h sa m y ch relacjach g ra w ita cy jn y ch Z iem i i S łoń ca, w z g lę d n ie jesziaze K sięży ca , n a le ż y przyp u szczać, że m am y do c z y n ie n ia z ham ow an iem „ w ew n ętrzn ym ” n a sk u tek p rzem ieszczan ia s ię środka cię ż k o śc i. Ś rodek c ię ż k o ś c i Z iem i je s t w y p a d k o w ą dynam iczną, a n ie ty lk o rezu ltatem k o n cen try czn eg o zalegan ia w a r stw sk a ln y ch .
S k o m p lik o w a n y układ ruchu p o stę p o w e g o i w ir o w e g o , o d d z ia ły w a n ie K sięży ca i S łoń ca, kisizlbałt Z iem i n ie o d p o w ia d a ją cy id e a ln e j b ry le ob ro to w ej, p io n o w e ro zm ieszczen ie g łęb in o c e a n ic z n y c h i sz c z y tó w stw arzają bardziej z a w iły obraz n iż prop orcjon aln y w zro st ciśn ien ia w g łą b Ziem i n a sk u tek z a leg a n ia w a rstw n adrzędnych. W zw ią zk u z ty m schem atyzaicja, przyjm ująca środ ek .ciężkości w środku g e o m e tryczn ym w ie lk ie j maisy, :jes!t u p roszczen iem u ła tw ia ją cy m o p era cje rach u n k ow e. R z e c z y w isty ob raz środka graw itacji b ęd zie dużo b ard ziej sk om p lik ow an y. Zam iast o p u n k cie n a le ż a ło b y w te d y m ó w ić o c en tra l
n y m poilu graw itacyjn ym . P łaszczyzn a rów n ik ow a t e g o p o la w y k o n y w a ła b y ru ch y b a la n su ją ce n a sk u tek ruchu o b r o to w e g o Z iem i i n a ch y len ia je j ios.i do ek lip tyk i. O trzym alibyśm y w ó w c z a s cen tra ln e p o le g ra w ita cy jn e z m o żliw o ścią zn a lezien ia n a jw ię k sz e g o p ra w d o p o d o b ień stw a środka cię ż k o śc i.
Ta „n ajw ięk sza g ę sto ść praw dopodobieństw a" przypom ina w oałym ob razie raczej za g a d n ien ie en e r g e ty c z n e fa li n iż problem sta ty c z n e g o środka m asy. W zw ią zk u z tym n a le ż a ło b y w ew n ą trz Ziem i m ó w ić o g ę s t o ś c i „fali graw itacyjn ej" , a n ie o środ k u c ię ż k o ś c i. Tak
„ fa lo w o ” rozu m ian y środ ek c ię ż k o ś c i p rzestaje b y ć punktem m aterial
nym , posiad a s w o ją d yn am ik ę, w ła sn y charakter e n e r g ety czn y , z a le ż n y zresztą o d c a łe g o z e sta w u w aru n k ów .
W (tym u ję c iu b y ło b y n iesłu szn e p rzy p u szczen ie, ż e g ę s t o ś ć Z iem i w zrasta w k ieru n k u środka geo m etry czn eg o b r y ły jako fu n k cja c iś n ie n ia w arsitw sk a ln y ch . N a to m ia st m o żliw e s i ę w y d a je, ż e „ fa lo w e ” p rzem ieszcza n ie środ k a g ra w ita cy jn eg o w jądrze, p o łą ca o n e z p rzesu n ię c ie m e n e r g ii i g ę s to ś c i, m o że nolsić c e c h y ą u a si-p ły n n eg o ośrod k a.
„ N a jw ięk sze p raw dopodobieństw o" środka c ię ż k o śc i p rzem ieszcza s i ę tak, jak fala p ły w ó w sk oru p y ziem sk iej w n a stę p stw ie d ziałan ia K sięży ca i Słońca. Z asadniczą różn icę sta n o w ią iz o c h o r y c z n e w arunki w jądrze Ziem i. U sta w ic z n e p rzem ieszczan ie środka g ra w ita cy jn eg o m u si d aw ać sp e c y fic z n y olbraz e n e r g ety czn y jądra. Energia m ech a n icz
n a p rzem ieszcza ją ca s ię „falow o" je s t za sa d n iczą rzeczą dla jądra.
Izo ch o ry czn e w aru n k i p ow o d u ją przem ianę e n e r g ii m ech an iczn ej na term iczną. W zrost tem peraltury m o że d a w a ć d w a efek ty : e lek try czn y , w p o sta ci w zra sta ją ceg o p rzew od n ictw a jo n o w e g o i e le k tr o n o w e g o w d ielek try k u krzem ian ow ym , oraz w ielo k ro tn ą jo n iza cję.
Energia m ech an iczn a jądra b y ła b y w ię c p rzy czy n ą n iep o k o ju
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 5 7
energetycznego, który rozprzestrzenia się w postaci pola termicz
nego i elektrycznego od środka ku zewnętrznym strefom Ziemi.
B) E n e r g i a e l e k t r y c z n a należy do najmniej uwzględnianych w bilansie energetycznym ziemi. Wynika to z późnego rozwoju nauki o półprzewodnikach, defektach sdeci krystalicznej, krystalochemii, prądach ttelurycznych oraz z niedawnego stosowania badań geo
elektrycznych. Praktyka geofizyczna i konkretne poltrzeby geologii poszukiwawczej i tak zresztą wyprzedziły zagadnienia teoretyczne w tym względzie.
Pomiary elektryczne wykazują różnicę potencjału między dwoma punktami powierzchni Ziemi. Przez Ziemię płynie prąd elektryczny 32.
Różnicę potencjału winny wykazywać również „Iąd-morze". Między .dwoma brzegami morskimi różnica potencjału winna powodować wędrówkę elektrolitów rozpuszczonych w wodzie. Ruchy morza w polu magnetycznym Ziemi dają prądy elektryczne mierzalne33.
Dotychczasowe dane, choć niekompletne, wykazują, że jonosfera nie jest zjawiskiem elektrycznym odosobnionym w całym zestawie geo
sfer.
Rozpatrzmy ewentualne źródła elektryczności w Ziemi. Jonizacja jądra, jak wspomniano uprzednio, powoduje dwa efekty malejące ku zewnętrznej stronie Ziemi: elektryczny i termiczny. Gradienty tych dwóch pól wpływalją na ruch energii elektrycznej i cieplnej ku zewnętrznym geostrefom. Za praktycznie niewyczerpywalne źródło elektronów i jonów należałoby uznać zasadniczą masę Ziemi, a w ięc krzemiany. Kompleksowe jony kwasów krzemowych mogą na zasa
dach diadochiii wymieniać SiOi na AZO4, FeO4, SO4, BeOn, TiOi, POi itp. W szczególnym przypadku mogą wolne aniony tych kwasów dyfundować w sieci krystalicznej, względnie oddawać elektrony.
W przyrodzie spotykamy następujące aniony kwasów krzemowych:
(S1O3 ) - 2 (Si'0 4 )--4 '(S12O7)—6 ,(Sis09)-* (S14O1 2 ) - 8 (SieOis)-12 (ShOii)-«.
Aniony kompleksowe glmokrzemianów wykazują jeszcze większe wartościowości. Dla przykładu:
(A/Si5018) - 13 (A/4S112O4 4 )-28 (A/2S114O48) - 34.
Aniony kwasów krzemowych i glinokrzeinowych dysponują więc orientacyjnie ilością od 2 do 34 elektronów. Wielowartościowe aniony na skutek kondensacji dają wolne grUpy OH, jony tlenowe, cztero- wartościowe aniony S i0 4, A104.
Strumień elektronów i jonów płynący z jądra w następstwie w ie
lokrotnej jonizacji wzmaga się w dalszych geositrefach dyfundując po
82 U. F l e i s c h e r , op. cit.j H. W e i s e , Tieientellurik (Erlorschung von grossräumigen Zonen erhöter elektrischer Leitlähigkeit im Erdinnern.),
„Phys Verhandlg.", 6 (1955) n. 5, s. 97—98; K. B u r k h a r t , Der Erdstrom, seine Entstehung und Wahrscheinliche Rückwirkung aut das erdmagnetische Feld, „Geofis. pura e appl.", 1956, 33, n. 1, s. 49—77.
83 G. E. R. D e a c o n , Inlormation irom electric currents in the sea,
„J. Inst. N avig.”, 1955, 8, n. 2.
przez miasę krzem ianow ą p rzy c z ę śc io w e j jej jionizacji. Z b iorczy e fek t ja k o prąd elek tro n o w y 'aibo elek tro lity czn y o dużym, n a tężen iu płynie:
m ięd zy w arstw am i. Prąd elek try czn y w p o lu g e o m a g n ety czn y m u leg a o d ch y len iu i przyjąć m o że w sz c z e g ó ln y c h w aru n k ach k ie r u n e k r ó w n o le g ły d o ja k iejś g eo strefy . W sp ecja ln y ch o k o lic z n o śc ia c h p rzew o d n ictw a , zw łaszcza w zb o g a cen ia w oliwimy 34, ico m a m ie jsc e w w a r st
w ie perydoitytow ej, mioże p o w a la ć o o ś w rod zaju w e w n ętrzn ej „jo- nosfery". M ożna iby ją n a zw a ć d la odróżnieniia „elektrogeofsferą".
Prąd w ie lk ie g o n a tężen ia p ły n ą c y m ięd zy w a r stw a m i ,poiw oduje zja w isk o p o la ry za cji d ielek try k a k rzem ian ow ego. W a rstw a sk a ln a w y tw o r z y w te d y siln e p o le e lek tro sta ty czn e, k tó re ze sw e j stilony u ła tw ia w ę d ró w k ę jo n ó w i elek tro n ó w p oprzez d efek ty s ie c i k r y sta lic z n e j. Z jaw isk a elek try czn e uw ielokrlotniają s ię zw ła szcza w w ar- Sitwowym u k ład zie sk a ł. W r e zu lta cie p o w sta je k on d en sator o w ie l
k iej p o jem n o ści. W o ln e elek tro n y dyfam dujące p rzez sie ć k ry sta liczn ą , Jon y i elek try czn o ść sta ty czn a in d u k ow an a w d ielek try k a ch k rzem ia
n o w y c h 'stwarzają sw o is te i d o g o d n e w anunki ń a g rom ad zen ie w ie lk ic h ilo ś c i en erg ii elek tryczn ej.
Istn ieją ró w n ież w tó r n e źródła p oten cjału elektryciznego w Ziem i.
Z ja w isk a łąazą s ię i u w ielo k ro tn ia ją p rzy w za jem n y m u zu p ełn ia n iu . Prąd m u si in d u k ow ać p o le m a g n e ty c z n e 35. W p ły w lin ii p ola m a g n e ty c z n e g o n a prąd p ły n ą c y w kierunku podłużnym „próbki" (w tym w yp ad k u r o z c ią g ło śc i w a rstw y skalnej) daje e fek t H alla. „P oprzecz
nie" dlo w a r stw y p o w sta je różnica n a p ięcia e lek try czn eg o . W n a tu ra ln y c h wariunkach w ie lk ic h ¡rozmiarów „próbek" w a r stw sk a ln y ch i siln y c h p rąd ów ¡indukujących p o le m a g n ety czn e efek t H alla m oże pow lodow ać d u że w a r to śc i p o ten cja łu 36.
N ie m ożna rów n ież p om inąć źródła elek tron ów , k tó re o d eg ra ło w ie lk ą r o lę w h isto rii n au k i o elek try czn o ści. T arcie d ielektryka, o d ie le k tr y k grom adzi w ie lk ie ilo ś c i elek tro n ó w , w z g lę d n ie przeniosi je na limny d ielek try k . Przez ta rcie p o w sta ją w y ją tk o w o w y s o k ie p o te n c ja ły elek try czn e. Przesuw .w arstw sk a ln y ch w n a stę p stw ie trzęsien ia ziem i, ru ch y górotw órcze, p ły w y sk o ru p y ziem sk iej, p r z ecisk a n ie la w y p rzez krater m ogą b yć źródłem w y so k ic h n ap ięć. Z rozum iałe s ię w te d y stają zjaw isk a elek try czn e to w a r z y sz ą c e erupcjom w u lk a n ic z n y m o ra z zaburzenia p ola m a g n ety czn eg o p o d cza s tr z ę s ie n ia ziem i.
34 S. K. R u n c o r n , D. C. T o z e r , The electrical conductivity oi olivine at higt temperatures and pressures, „Ann. Geophys.", 1955, 11, n. 1.
35 W. K e r t z, Modele iü t erdmagnetisch induzierte elektrische Ströme im Untergrund., „Nachr. Akad. Wissensch. Göttingen, math. phys. Kl. 11a Abtg.", 1954, n. 5, s. 100—110. K. B u r k h a r t , Vergleichende Betrachtung zwischen Erdstrom Und magnetischer Pulsation, „Phys. Verhandlg"., 1955 '6, n. 5, s. 98—99.
36 D. R. I n g 1 i s, Theories oi the earth's magnetism, „Rev. nlod. Phys"
1955, 27, n. 2.
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 5 9
W t e n sp o só b e n e r g ia m ech an iczn a transform uje s ię n a elek tryczn ą.
N ie je s t w y k lu c z o n y in n y rodzaj zam iany. K w arc p osiada w y b itn e w ła s n o ś c i p iezo elek try czn e, c z y li daw an ia r ó ż n ic y p o te n c ja łu przy n a c is k u ,i rozciąganiu . T e sa m e w ła sn o ś c i w y k a zu ją n ie k tó r e in n e m i
n e r a ły sk a ło tw ó rcze. J e ż e li z ja w isk u p iezo elek try czn em u b ęd zie t o w a r z y s z y ć p o d w y ż sz e n ie ¡tem peratury o d p e w n y c h gran ic a lb o przy-:
ło ż o n e zew n ętrzn e p o le e le k try czn e, moigą za istn ie ć w aru n k i n a o d p r o w a d z e n ie p ie z o e le k tr o n ó w 37. M a g n ety t w y k a z u je p rzew o d n o ść e le k tr y c z n ą w n ie z w y k ły m sto p n iu p o w y żej tem p eratu ry 120°K. M a
g n e ty t F eiO s n a le ż y d o sp in e li in w en sy jn y ch . P on iew aż s p in e le łatw o s i ę m ieszają, w ię c d o d a te k n ie p rzew o d zą cy ch spinela jak M g A h O s zm n ie jsz a p rzew od n ość, a le jej n ie zn osi. W n atu raln ych w aru n k ach g e o fiz y c z n y c h n a le ż y s ię c z ę s to lic z y ć z ty m faktem . S p in e le n a leżą zr e sz tą do bardzo p o sp o lity c h skał. Z etk n ięciu d w óch w a r stw sp in eli 0 różnej p rzew o d n o ści ii od m ien n ej tem p eratu rze to w a r z y sz y efek t term o elek try czn y w m iejscu sty k u . Elsaisiser (1939) p rzy p isu je prądom , p o ch o d zen ia te r m o e le k tr y c z n e g o w k o rze ziem sk iej g e n e z ę p o la m a
g n e ty c z n e g o 3S.
W Z iem i istn ie ją w ię c n ie w y c z e r p a n e r e z e r w y w o ln y c h elek tro n ó w 1 jo n ó w . Przy te j o k a zji n a le ż y w y m ie n ić zn a m ien n y fak t łą czn o ści energia ele k tr y c z n e j z m ech an iczn ą i term iczną. W zajem n a transform a
c ja je s t ry se m zasad n iczym term od yn am ik i Ziem i.
P ierw ia stk o m r a d io a k ty w n y m p r z y p isy w a ło s ię z w y k le n a czeln ą r o lę w u trzym yw an iu b ilan su c ie p ln e g o Ziem i. D o n io słą ro lę sp ełn ia ta k ż e Tozpad p ro m ien io tw ó rczy w d z ie d z in ie e lek try czn ej. P rom ienio
w a n ie b eta em itu je w o ln e elek tro n y . W ię k s z o ść iz o to p ó w r a d io a k ty w n y c h lż e jsz y c h p ie r w ia stk ó w daje p ro m ien io w a n ie beta. P rom ien iow a
n ie gam m a i alfa p ow od u je jo n iza cję albo w y b ija fo to elek tro n y . N a o sta tn im d o p iero m iejscu n a le ż a ło b y w y m ie n ić e fe k ty term iczne.
Z ja w isk a m a g n ety czn e ta k znam ien n e dla Ziem i z n a la z ły b y sw o je w y ja ś n ie n ie . O lbrzym ia m asa o w ła sn y m i zm iennym lo k a ln ie p o te n c ja le elek try czn y m w iru jąc w y k a z u je w ła sn y m om ent m a g n ety czn y . O ś o b ro tu i o ś m a g n ety czn a w in n y s i ę w te d y n ie w ie le różn ić, c o też w r z e c z y w is to ś c i zach od zi (różnica 11,4°).
C) E n e r g i a t e r m i c z n a . S to p ień geo term iczn y ma d o w o d z ić p o la c ie p ln e g o w e w n ętrzu Ziem i. N ie /w nikając w tej ch w ili, w jakim sto p n iu je s t słu sz n e , że n a c isk „górnych" w a r stw p o w o d u je w z r o st c iś n ie n ia i tem p eratu ry w ew n ą trz Ziem i, ¡zajmijmy się zja w isk a m i term iczn ym i Ziem i z innej zu p ełn ie strony, jak zw y k ła utrata ciep ła n a sk u te k prom ien iow an ia.
37 D. N e i n e c , Piezoelektrische Texturen in der Natur, „Geologie, Beih.", 1955, 4, n. 3.
as w m. E l s ä s s e r , On the origin of the earth's magnetic Held, „Phys.
Rev.", 1939, 55, s. 489—498.
39 E. B e d e r k e, Zur Geologie und Geophysik der Tieien, „Geologischer Rundschau", 1957, 46, s. 229.
P o k o n y w a n ie o p o ru w ła śc iw e g o zarów n o w przew od n ik ach , jak i p ółp rzew od n ik ach w y m a g a zu ży cia en erg ii elek try czn ej. Prąd p o k o n u ją c op ór zam ien ia s ię c z ę ś c io w o w c ie p ło . I lo ść w y tw o r z o n e g o c iep ła je s t z a le ż n a od oporu, n a tężen ia i m a sy p ółp rzew o d n ik a . O pór sta w ia n y p rzez p ó łp rzew o d n ik i k rzem ian ow e z w y ją tk ie m n ie k tó ry ch sp in eli je s t bardzo d u ży . N a tę ż e n ie p rądu w sp o ra d y czn y ch w y p a d k a ch w ie lk ie . G rzanie s ię d ielek try k a z w ię k sz a je g o p rzew o d n o ść, w k rań cow ym przypadku n a stą p i sto p ie n ie d ie le k tr y k a . W sz c z e g ó ln o ści m oże u le c sto p ien iu czę ść brzeżna w a rstw y p er y d o ty to w e j, sim y lub sia lu . B ed erk e uzn aje ra czej m o żliw o ść sto p ie n ia p ery d o ty - tó w n iż sim y S9. B ezp ośred n ią p rzy czy n ą zjaw isk w u lk a n ic z n y c h b y ły b y w ię c p r o c e sy e le k try czn e i term iczne.
O gn isk o sto p io n y ch m ateriałów k rzem ian ow ych w y k a z u je p rze
w o d n ictw o jo n o w e . Przy n ie sp r z y ja ją c y c h w arunkach n a w y r z u c e n ie la w y n a p o w ie r z c h n ię (brak szczelin w skorupie ziem sk iej, u sk o k ó w tek to n iczn y ch , zaburzeń w u kładzie w arstw ) la w a u leg a p rocesom od w rotn ym — sp a d ek n a tężen ia prądu e le k try czn eg o n a sk u tek d y fu z ji e le k tr o n ó w p oprzez k ry sta liczn ą m a sę krzem ian ow ą Ziem i, p o w o l
n e sty g n ię c ie przy jed n o czesn ej zm ianie o b jęto ści i p rężn ości cia ł lo tn y ch . W y tw arza s ię w z g lę d n a próżnia z dużym n ied ob orem c iś n ie n ia w p o ró w n a n iu z e stan em poprzednim . N ieao a n a lo g ic z n a sy tu a c ja m u si .istnieć p o erupcji w u lk a n iczn ej. Pjistka m agm atyczn a je s t p rzy c z y n ą za ch w ia n ia ró w n o w a g i i m oże b y ć p rzy sp rzy ja ją cy m k om p le k s ie c zy n n ik ó w m ech a n iczn y ch p o w o d em (trzęsienia iziemi. Istn ie je m o żliw o ść w y tw o rzen ia s ię p u stek m agm atycan ych w k ilk u p o z io m ach. T rzęsien ie z ie m i w y k a z u je w te d y różn e fa z y przebiegu.
H ipoteza p u stek m agm atyczn ych m a o ty le u za sa d n ien ie, że ep i
centra tr z ę sie ń ziem i są z w y k le d u żo głęibiej p o ło ż o n e n iż o g n isk a w u lk a n iczn e. N iem o żn o ść zred u k ow an ia w e w n ętrzn eg o ciśn ien ia o g n i
sk a m a gm atyczn ego n a drodze z w y k łe j erupcji n a zew n ątrz, po d łu gim i sk om p lik ow an ym zak olu p r o c e só w o d w ro tn y ch do grzan ia d ie lek try czn eg o , p o w o d u je reso rp cję o g n isk a . N ie w y a k sp lo a to w a n e o g n i
sk o m agm atyozne w n a tu ra ln y ’ sp o só b p rzez d z ia ła ln o ść w u lk an iczn ą sy g n a lizu je p rzy za istn ien iu in n y ch o k o lic z n o śc i sw ą o b e c n o ść trzę
sien iem ziem i. T ym się te ż tłu m a czy w z g lę d n a b lisk o ść teren ó w seljsm ioznych i w u lk a n iczn y ch .
W u lk an y b y ły b y w ty m rozum ieniu naturalnym „ p rzew ietrzen iem ” nadm iaru en ergii elek try czn ej w Z iem i przy transform acji jej na c i e p ło i efek ty m ech an iczn e. T rzęsienia ziem i n atom iast s ta n o w iły b y ten sam problem .tylko ro zw ią za n y w w ew n ętrzn y ch w arunkach Z iem i w p ostaci p rzesu n ięcia m as sk a ln y ch . O d w rócon e p ro c e sy e le k try czn e i term iczne d a ły b y p rzeja w y n atu ry m echanicznej w n a stę p stw ie k o n trakcji ogn isk a m agm atyczn ego.
N iek tó re o k o liczn o ści g e o lo g iczn e i g eo fizy czn e b y ły b y w y ją tk o w o sprzyjaljące dla skupienia ośro d k ó w maganaltycznych term o elek try czn ie
WULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 6!
to p io n y ch . C z ę śc i sk o ru p y ziem sk iej zaburzone, u tw o ry so c z e w o w a te , w ię k s z e n a g ro m a d zen ie sp in e li p rzew o d zą cy ch (¡magnetyt), w a rstw y id ą c e w głąb , p o g ra n icze faz p etro g ra ficzn y ch w krzem ianach, ró żn ice w s p ó łc z y n n ik ó w rozszerza ln o ści, o d m ien n e c ie p ło w ła ś c iw e , r ó ż n o ro d n o ść oponu w ła ś c iw e g o iitp. W s z e lk ie różn ice fa zo w e i w s z e lk ie p o gran icza faz będą tutaj u p r z y w ile jo w a n e w transform acji en e r g e ty czn ej.
CYKLE ENERGETYCZNE ZIEMI
.W stę p n e z a a n o n so w a n ie teo rii w u lk an izm u oraz trzęsień ziem i jest ty lk o sch em a tem za g a d n ien ia , k tó r e m a b y ć przedm iotem sp e c ja ln e g o op racow an ia autora. T y m cza so w e n a w e t rozw ażan ia poczwalaiją w y od ręb n i ć p e łn y c y k l e n e r g e ty c z n y Ziem i.
G eo cy k l e n e r g e ty c z n y o b e jm o w a łb y 3 za sa d n icze rod zaje energii:
m ech an iczn ą, e lek try czn ą i term iczn ą. W c a ło ś ć Z iem i prow adzą 3 „ w ejścia" e n e r g e ty c z n e z zew n ą trz (rys. 5).
1. E nergia m ech an iczn a (EM) w d w ó c h w ariantach: a) w e jś c ie en e r g ii m ech an iczn ej w jądro Z iem i w p o sta a i w p ły w u n a przem iesz
cza n ie s ię środka c ię ż k o ś c i, b) w e jś c ie w p o sta c i p ły w ó w skorupy ziem sk iej pod d ziałan iem K sięży ca i Słońca.
2. E nergia term iczn a (ET) w p o s ta c i sta łej sło n eczn ej.
3. E nergia elek try czn a (EE) jo n izu ją ceg o działania p ro m ien io w a n ia k o sm iczn eg o , p rzep ły w u e le k tr y c z n o śc i a tm osferyczn ej do lito
sfery.
Z iem ia, u ży w a ją c w y ra żen ia te c h n ic z n e g o , p o sia d a 3 „w ejścia".
P oza ty m je s t układem w z g lę d n ie auton om iczn ym w u stalan iu sw e g o biilansu e n e r g ety czn eg o . W c a ło ś c i Ziem i m ożn a w y o d ręb n ić 3 ąu asi- -autonoiiniczne cy k le: ją d ro w y , se jsm ic z n y i atm o sfery czn y (N, S, A ).
W y o d r ę b n ie n ie to je s t k o n ie c z n e z e w z g lę d u n a p rzejrzy sto ść s c h e m atu. W r z e c z y w isto śc i sta n o w ią o n e w Ziem i ca ło ść .
C y k l j ą d r o w y (N) przem ian e n e r g ety czn y ch dop row ad ził
■w k o n se k w e n c ji do o d tlen ien ia i o d a lk a lizo w a n ia jądra przy je d n o c z e sn y m w z b o g a c e n iu go w ż e la z o i m agnez. Tak w y g lą d a ło b y za
g a d n ie n ie od str o n y ch em iczn ej. Z punktu fizy czn eg o w w arunkach iz o c h o r y c z n y c h nastąpi grzan ie jądra ,w rezu lta cie u sta w iczn eg o p rze
m ieszcza n ia środ k a m asy. D alszym etap em w zro stu tem p eratu ry je s t jo n iza cja atom ów . G ra w ita cy jn y n iep o k ó j jądra je s t zja w isk iem is to t
n y m w ty m cy k lu . W n a stę p stw ie p o w s ta je przem ieszczająca s ię „fala g r a w ita c y jn a ”. O stateczn ym w y n ik ie m cy k lu jąd row ego je s t u w o l
n ie n ie elek tro n ó w i jo n iza cja oraz w y tw o r z e n ie .ciepła. Z arów no p o le ele k tr y c z n e , jak i term iczn e z a sila ją n a stę p n y cy k l. W m n iejszy m sto p n iu p rzen o si s ię do n a stę p n e g o c y k lu fala graw itacyjn a.
C y k l s e j s m i c z n y (S) ta k n a zw a n y , p o n iew a ż je s t d o stęp n y bad an iom d zięk i p rzech od zącej fa li sejsm iczn ej. W tym cy k lu znaj-
S -^p '0
Rys 5 Termodynamiczny cyk! Ziemi OBJAŚNIENIE
----granice cyklon
... energia elektryczna
i * mechaniczna
--- « termiczna
O transformacje energetyczne
W ULKANIZM I TRZĘSIENIA ZIEMI 63
d u je s ię w e j ś c ie en e r g ii m ech an iczn ej w p o sta ci p ły w ó w m orskich i sk o r u p y ziem sk iej w n a stę p stw ie g r a w ita cy jn eg o o d d zia ły w a n ia K się ż y c a i S łoń ca. D ru g ie w e jś c ie e n e r g e ty c z n e w te n c y k l to sta ła s ło n eczn a .
D om in acja tran sform acji en e r g e ty c z n e j c y k lu se jsm ic z n e g o o b e j
m u je p rzem ian y en e r g ii elek try czn ej w term iczn ą, a w k o n se k w e n c ji w m ech a n iczn ą . Energia m ech an iczn a m a n ifestu je s ię w p o sta c i ¡trzę
s ie ń ziem i i erupcji w u lk a n ó w . Z jaw isk a p ie z o e le k tr y c z n e transform ują e n e r g ię m ech an iczn ą z p o w ro tem w elek try czn ą , przynajm niej c z ę ś
c io w o . C hem icznym w y ra zem p rzem ian y en erg ii e lek try czn ej w m e
ch a n iczn ą n a drodze bardzo p o w o ln e g o p ro c e su je s t d y feren cja cja na sim ę i s.iail, a je sz c z e g łę b ie j n a w a r stw ę p ery d o ty to w ą .
C y k l a t m o s f e r y c z n y {A) p o sia d a w e jś c ie en e r g ii e le k tr y c z n e j w p o sta ci p ro m ien io w a n ia k o sm iczn eg o . C a ło ść Z iem i zam yka w a rstw a joniosfery i eg z o sfe r y . C h arak terystyczn ą c e c h ą te g o cy k lu je s t zam iana e n e r g ii term iczn ej na m ech an iczn ą w p arow an iu w o d y , en erg ia m ech a n iczn a ró żn ic c iś n ie n ia p ow ietrza i p rzep ły w e le k tr y c z n o śc i a tm o sfery czn ej d o w a rstw lito lo g iczn y ch .
Tutaj sp o ty k a m y d o p iero en tro p ię dla układu Z iem i p o n iezm iern ie b o g a ty m i za w iły m z e s t a w ie tran sform acji en erg ety czn y ch . N ie u ż y te c z n a en erg ia , tzw . n ieczy n n a , p o sp e łn ie n iu w ie lu zadań p rom ien iu je
d op iero w p rzestrzen ie k o sm iczn e. .
W N IO SK I W YN IKA JĄCE ZE SCHEMATU
1. C y k l term od yn am iczn y Z iem i je s t bardzo u rozm aicon y i o b e j
m u je tran sform ację tr z e c h n a jw a ż n ie jsz y c h rod zajów en ergii: m ech a
n ic z n e j, elek try czn ej i term iczn ej. Tak p o ję ty c y k l zap ob iega entro- p ijn em u „m arnotraw stw u" en erg ii.
2. T erm odynam iczny cykli Z iem i je s t w y n ik ie m je j p la n eta rn eg o sta n o w isk a o raz p ó łp rzew o d n ik o w y ch w ła s n o ś c i m a s y krzem ian ow ej.
3. W y tw a rza n ie geiosynklin p rzez d y fu z ję e le k tr o n ó w i jo n ó w w p o lu g eo m a g n ety czn y m b y ło isto tn y m krokiem w d a lszy ch zaburze
n ia c h r ó w n o w a g i b r y ły o b ro to w ej.
4. T r z ę sie n ie ziem i i w u lk a n izm sta n o w ią d w a o b lic z a ty c h sa m y c h itrzech stop n iow ych przem ian term od yn am iczn ych Ziem i.
5. D yferen cjaoja o g ó ln ej m a śy Z iem i n a jądro, w a rstw ę p ery d o ty to w ą , isimę, isfial, h yd rosferę i atm osferę jest w y n ik ie m term od yn am icz
n e g o cyklu.
6. P rzed staw ion e tuitaj p r o c e sy term od yn am iczn e ro zw ija ją s i ę od jądra ku a tm o sferze, c z y li w e d łu g g rad ien tu p ola elek try czn eg o i ter
m iczn ego.
7. G eom agn etyzm zn ajd u je swmje w y ja śn ie n ie w elek try czn ej fra k cji term o d y n a m iczn eg o c y k lu Ziemi.
P rzed staw ian y zarys (teorii lak u jącej w u lk an izm i (trzęsienia ziem i w o g ó ln y m b ila n sie en ergetyczn ym Z iem i jest w stęp n y m d o n iesien iem ob szern iejszej p racy autora na te n temait. P ostu lat u m ieszczen ia w u l
kanizm u i trzęsień ziem i w o góln ym c y k lu term odynam icznym Ziem i n ie u leg a w ą tp liw o ści. Z asadniczą ce c h ą p rzed sta w io n eg o tutaj sc h e m atu je s t r o z p o częcie p ro cesó w g e o fiz y c z n y c h i g e o c h e m ic z n y c h od środka Ziemi. J est to z a p ew n e je d y n y słu szn y p unkt w id zen ia . Pro
c e s y p ery fery o zn e miaiją z a s ię g ty lk o dó p ew n y ch granic g łę b o k o śc i, p rzeb ieg a ły b y z resztą sp rzeczn ie z gradientem p o la en e r g e ty c z n e g o .
T eo rety czn ie is tn ia ły b y m o żliw o ści ro zła d o w a n ia energia! b e z p ośred n io o d p o w ied zia ln ej za w u lk an izm i tr zęsien ia Bierni, a w ię c e n e r g ii elek try czn ej. G d yb y istn ia ły po tem u m o żliw o ści tech n iczn e, n ic n ie sta ło b y n a p rzeszk o d zie rozład ow ać te d w a g ro źn e d ła c z ło w ie k a faklty, ja k to u c z y n ił Franklin iz piorunem .
VOLCANIC ERUPTIONS AND EARTHQUAKES IN THE GEOENERGETIĆ SYSTEM
The author presents the possibility of differentiating premagmas in the peridot, Sima and Sial zones. 1 The differentiating was performed by diffusing ions and electrons through a net of crystalline silicates. The chemical struc
ture of the zones mentioned shows that this process was connected with desilification, deoxidation, and dealkalization. The diffusion of Si, Al, O, K, Na took place from the centre of the Earth to the peripheries (fig. 1).
Oxygen and potassium with considerable ion radiation collecting in Sial increased its bulk with the simultaneous shrinking of the centre of the Earth (fig. 2). The dispersal of Sial masses on the surface of the Earth took an unusually long time due to changes in the direction of the diffusion of the ions and electrons in a whirling geomagnetic field (fig.3). The North pole dispersed the diffusing Sial elements, the South pole attracted them.
The present dispersion of Sial masses shows that the axis and the magne
tic pole were to be found im the Pacific and in south-west Africa (fig. 4).
The development of geosynclines would thus take place along other lines than present hypotheses suggest.
The diffusion of ions and electrons in the silicate semiconductor gives, in certain circumstances, thermal effects, whith could cause partial melting of the silicates. A local magnetic focus in favourlable conditions causes a volcanic eruption. Otherwise, the phenomenon of the slow resorption of the focus takes place. A change in bulk after partial ejection of volatile bodies may cause a disturbance in the statics of rock strata, producing earthquakes. Volcanos and earthquakes would thus be two different pictures of the same Phenomenon of the transformation of electrical energy into ther
mal and mechanical energy according to the diagram in fig. 5.
This article is an introductory communication from the author in the sphere of volcanic activity and earthquakes.
