宇宙膨胀-“岩爆”的能量来源

Cosmic Expansion – the Energy Source of "Rockburst"

摘要：

本文从物理学基本原理上分析了“岩爆”成因与宇宙膨胀的关系，得出了“岩爆”是在宇宙膨胀的长期作用下固态物体内形成的应力势能的突然释放这样一种物理现象的结论。这种应力势能的释放可以是自发的也可以是人为引发的。随着宇宙的膨胀宇宙中所有物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）在不断变大。由于固体的表面积正比于构成固体的原子的半径的平方，而固体的体积正比于构成固体的原子的半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体内的应力越来越大，当聚集在固体内的应力大于固体的结构力及外部环境压力之和时“岩爆”就发生了。 

Abstract:

This paper analyzes the relationship between the cause of “rock burst” and the cosmic expansion from the basic principle of physics, and  concludes that “rock burst” is a physical phenomenon of the sudden release of the stress potential energy formed in the solid under the long-term action of the cosmic expansion. This release of stress potential energy can be spontaneous or induced artificially. As the universe expands, the atoms and ions (ions containing orbital electrons) of everything in the universe keep getting bigger. Since the surface area of a solid is proportional to the square of the radius of the atoms that make up the solid, and the volume of the solid is proportional to the cubic of the radius of the atoms that make up the solid, the stress in the solid becomes larger as the atom expands, and the “rock burst” occurs when the stress in the solid is greater than the sum of the structural force of the solid and the external environmental pressure. 

关键词：岩爆，岩爆机理，矿震，岩石力学，深部岩石工程，封闭应力

Keywords: Rockburst, Rockburst Mechanism, Mine earthquak, Rock Mechanics, Deep Rock Engineering, Closed Stress 

一、引言

岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆是深井矿山面临的主要安全隐患之一。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7～8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出【1】。由于岩爆的能量是从何而来目前科学界还给不出一个合理的说法，这就成了制约岩爆机理研究的瓶颈。作者在研究地球动力学的过程中发现宇宙膨胀是地球构造运动的动力源【2】，并进一步发现岩爆也是属于行星地质构造运动的一种，是宇宙中普遍存在的自然现象。 

二、岩爆与宇宙膨胀的关系  

由公式(5.31)【2】可知，构成物体的原子或离子的电子绕原子核运行的轨道半径随物体在以太中运行速度的增大而减小。由此可知，随着宇宙的减速膨胀既物体相对于宇宙以太系运动速度的减小，构成物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）会不断变大。宇宙膨胀对于由固体外壳（岩石圈）和液体岩浆构成的行星的影响是非常丰富的，包括造山运动、造陆运动、板块的形成、地球膨胀、海底扩张、大陆漂移、地震及火山喷发的产生【3】。如果我们专注宇宙膨胀对固态物体的影响，就不难发现所谓“岩爆”就是宇宙膨胀长期作用于固态物体而形成的弹性势能的突然释放这样一种自然现象。这种弹性势能的释放可以是自发的释放也可以是人为引发的释放。

我们可以将固体的形状都近似为球体以便于研究。如果一个固体球的表面保持不破裂（保持原子挨着原子）的话，那么固体球的表面积正比于构成固体球的原子的半径的平方，而固体球的体积则正比于原子半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体球内的应力会越来越大，而且越往内应力越大。由于宇宙内有些自然形成的固态物体如地球古老的陆壳或流星等形成的年代达几十亿年之久，经过宇宙几十亿年的膨胀，聚集在这些固态物体内的应力是非常大的，当这些应力大于固态物体的结构力时这些固态物体就会发生爆炸。这就是为什么宇宙中存在那么多形状不规则的流星（陨石）的原因。因为质量小的行星完全凝固得非常早，随着宇宙的膨胀，固态行星内部的应力早就超过了其结构力而发生了爆炸（岩爆），由此形成了大量形状不规则的石头（陨石或流星）。因此我们可以预言，如果宇宙一种膨胀下去，月球及所有行星最终都会成为固体并发生爆炸（岩爆）而变成碎石(这可能是构造运动最后的猛烈一幕吧）。

随着原子的膨胀,岩石内部的膨胀力越来越大，岩石的表面张力也越来越大，一旦表面张力超过结构力，岩石的表面就会被胀裂成粉末或松脆的小块并一层层脱落下来。这就是沙漠和土壤形成的过程。

我们也不难解释为什么有些陨石在进入大气层时会发生爆炸。由于运行速度极快，所以，当陨石坠入大气层时与大气剧烈摩擦而升温，当陨石温度达到可让陨石内部物质应力势能释放的温度时，这些蕴藏在陨石内的应力势能就会以爆炸的形式释放出来。

由此可知，宇宙中所有自然形成的固态物体内部都含有应力内能，固体形成的年代越久远，其内部所含的应力内能就越高。地球上地壳岩体都含有应力，岩石形成的年代越久，应力越高。所以越古老的板块岩石内部的应力越高。这些应力在岩石床没有遭到破坏时由于有周围岩体的保护所以不会释放，一旦周围岩体遭到破坏（如隧道施工）时就会突然释放出来了，这就是人为引发的“岩爆”的机理。 

三、结论

1、“岩爆”是在宇宙膨胀的长期作用下固态物体内形成的应力势能的突然释放这样一种物理现象。这种应力势能的释放可以是自发的也可以是人为引发的。

2、随着宇宙的膨胀宇宙中所有物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）不断变大。由于固体的表面积正比于构成固体的原子的半径的平方，而固体的体积正比于构成固体的原子的半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体内的应力会越来越大，而且越往内应力越大。

3、岩石形成的年代越久远，其内部包含的应力势能密度就越高。 

参考文献：

【1】  张钦礼，王新民．《金属矿床地下开采技术 》． 长沙：中南大学出版社，2016.03

【2】  Wang, J. A. (2019),The Modification of Special Relativity, Journal of Modern Physics,10,1615-1644. https://doi.org/10.4236/jmp.2019.1014107

【3】  王建安，2020一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型（二），科学网博客：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3412139&do=blog&id=1214007