В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 4
Текст из файла (страница 4)
P-волны нерегистрируются в обширной зоне тени, что обусловлено преломлением этих волн награнице мантия – ядронейные отрезки. В действительности vP и vS систематически возрастают с погружением в недра Земли, исключая небольшую зону на глубинах 50–250 км.Поэтому реальные сейсмические лучи искривлены, т.е. Земля ведет себя поотношению к сейсмическим лучам как преломляющая линза (рис. 1).Согласно данным, полученным сейсмологией, Земля разделяется на три основные области: кору, мантию и ядро.
Кора отделена от мантии резкой сейсмической границей, на которой свойства скачкообразно изменяются (возрастаютскорости vP и vS и плотность ρ ). Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем, и ее называют границей Мохоровичича илиграницей М. В связи с этим открытием земная кора получила четкое определение: земной корой называют наружный слой Земли, расположенный вышеграницы М. Толщина земной коры нерегулярна, она изменяется от ∼ 10 км(с учетом толщи воды) в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах континентальных областей.
Вклад земной коры в полную массу Земли и ее момент инерции мал, поэтому обычно при рассмотренииЗемли в целом земную кору представляют в виде однородного слоя эффективной толщиной ∼ 35 км. Ниже коры в интервале глубин 35–2885 км расположенасиликатная оболочка, или мантия Земли. Наконец, центральная часть Земли,расположенная в интервале глубин 2885–6371 км, образует ядро Земли. То, чтов Земле должно быть ядро, плотность которого заметно превосходит плотность14наружной силикатной оболочки, ученые понимали уже в конце прошлого века.Рассуждали при этом так. Плотность наружных пород коры равна ∼ 2.8 г/см3(граниты) и ∼ 3.0 г/см3 (базальты), а средняя плотность Земли, равная 5.5 г/см3 ,намного больше.
Следовательно, у Земли должно быть тяжелое ядро. В то жевремя были известны железные метеориты (плотность железа при нормальныхусловиях 7.85 г/см3 ), что и послужило поводом для выдвижения гипотезы осуществовании железного ядра Земли.Сейсмическая граница на глубине 2885 км между мантией и ядром Земли(и, таким образом, земное ядро) была открыта немецким сейсмологом Гутенбергом в 1914 г. Эта граница не имеет специального названия, хотя с полнымоснованием ее можно назвать границей Гутенберга, или границей Г. Границамантия – ядро является наиболее резкой границей раздела в недрах Земли.
Онасильно отражает объемные P- и S-волны и сильно преломляет P-волны. На этойгранице скорость P-волн скачком падает от значения 13.6 км/с в мантии до значения 8.1 км/с в ядре, скорость поперечных волн соответственно уменьшаетсяот 7.3 км/с до нуля; плотность, наоборот, возрастает от 5.5 до 10 г/см3 . Тотфакт, что земное ядро не пропускает через себя поперечные волны S, скоростькоторых в нем vS равна нулю, означает, что модуль сдвига ядра μ также равеннулю. Следовательно, земное ядро является жидким.
Этот фундаментальныйвывод сейсмологии подтверждается и всеми остальными геофизическими явлениями, имеющими отношение к земному ядру. Данные сейсмологии указываютна то, что мантия и ядро Земли обладают определенной «тонкой» структурой.Эта структура видна на рис. 2, на котором показана сейсмическая модель Земли,т. е. распределение скоростей (P- и S-волн) с глубиной.В соответствии с данными сейсмологии земные недра разделяются на восемь характерных областей — зон. Эти зоны обозначаются заглавными буквамилатинского алфавита A, B, C, D (D′ , D′′ ), E, F, G. Зона A (0–33 км) — земнаякора; зона B (50–350 км) — подкоровая зона, слой пониженных скоростей; зона C (350–1000 км) — переходный слой, зона аномально быстрого возрастанияскоростей P- и S-волн; зона D разделяется на зону D′ (1000–2700 км) — зону нормального возрастания скоростей за счет давления вышележащих слоеви зону D′′ (2700–2885 км) — узкую граничную зону мантии с ядром, котораяхарактеризуется постоянством скоростей P- и S-волн; зона E (2885–4980 км) —жидкое внешнее ядро; зона F (4980–5120 км) — переходная зона ядра; зона G(5120–6471 км) — твердое внутреннее ядро Земли.
В самое последнее времяточность сейсмических наблюдений была заметно повышена за счет переходаот наблюдений на изолированных сейсмических станциях к наблюдениям сотен сейсмических станций, расположенных вдоль определенных направлений.В результате появились указания на существование разрывов в распределении15Скорость сейсмических волн, км/с128наволP-аолнS-в4МантияВнешнееКора0Ядро20004000Внутр.6000ЦентрЗемлиРис. 2. Скорости волн P и S внутри Земли. Классическая сейсмическая модель ЗемлиДжеффриса – Гутенберга. Построена в конце 30-х годов. Оставалась неизменной доконца 60-х годовскоростей P- и S-волн в мантии Земли.
С наибольшей определенностью выявлены две границы: одна в интервале глубин 400–450 км, другая на глубинах600–700 км. Наконец, в настоящее время получены данные, указывающие нато, что внутреннее ядро Земли находится в твердом состоянии. Более подробнообо всем этом будет сказано в разделе, посвященном современным реальныммоделям Земли.Особенности распределения скоростей сейсмических волн в недрах Землиобъясняются следующим образом. При переходе от земной коры (граниты, базальты) к мантии (ультраосновные горные породы) скорости возрастают скачком.
В подкоровой зоне расположен слой пониженных скоростей, что связанос близостью температуры недр в этом слое к температурам плавления. В зонеC скорость быстро растет из-за фазовых переходов минералов в более плотные и более жесткие в механическом отношении модификации. Затем следуетоднородный слой D, где скорости растут лишь за счет сжатия от давления вышележащих слоев.
На границе с ядром имеется небольшое плато скоростей,причина появления которого до конца не понята. Падение скорости P-волн припереходе из мантии в ядро связано с тем, что ядро жидкое и состоит из более плотного вещества. Оказалось, что модули сжатия K для мантии и ядра наих границе примерно равны, а плотность мантии ρ0 (2885) = 5.6 г/см3 заметноменьше плотности ядра ρя (2885) = 10 г/см3 .Земное ядро состоит в основном из железа и небольшой примеси легких элементов. Вероятно, оно содержит в виде примеси серу и, может быть, кремний;16но вопрос этот все еще остается дискуссионным.
Во внешнем ядре возрастаниескорости P-волн происходит плавно и обусловлено ростом давления к центруЗемли. Определение детального изменения скорости в переходной зоне ядрав классической сейсмологии оставалось нерешенной задачей. Ясно только, чтоскорость в этой зоне Земли возрастает, а само возрастание обусловлено переходом вещества из расплавленного состояния к твердому, кристаллическомусостоянию. Скорость продольных волн во внутреннем ядре почти не меняется,так как давление в этой области Земли возрастает очень слабо.1.2.Сейсмические волны1Объемные продольные P- и поперечные S-волны были открыты теоретически Пуассоном в 1828 г.
при создании теории упругости. Пуассон показал, чтов упругой изотропной среде могут распространяться два типа сигналов со скоростью vP и vS соответственно. Открытие (идентификация на сейсмограммах)P- и S-волн было сделано английским сейсмологом Олдгемом только в 1901 г.,причем проблемы, которые приходилось преодолевать в то время, теперь дажетрудно себе представить.
Мы не говорим о несовершенных сейсмографах тойэпохи, но даже такая «очевидная вещь», как возрастание скоростей P- и S-волнс глубиной, явилась для пионеров сейсмологии неожиданностью.В сейсмологии экспериментально определяют годограф — время пробегасейсмических волн T как функцию эпицентрального расстояния A (расстояние в градусах или километрах по дуге большого круга между эпицентроми приемником волн; для Земли 1∘ соответствует ∼ 111 км). Ясно, что функцияT = T (Δ) связана с распределением скорости с глубиной v(l) (l — глубина), и поиск v(l) представляет основной интерес для проблемы внутреннего строенияЗемли. Примерно через десять лет после идентификации P- и S-волн немецкиесейсмологи Герглотц и Вихерт разработали аналитический метод определенияискомых функций vP (l) и vS (l) по экспериментальным кривым TP (Δ) и TS (Δ).Развитие классической сейсмологии связано с трудами многих ученых и нашлосвое завершение в конце тридцатых годов в работах Джеффриса и Гутенберга.При отражении сейсмических волн от поверхности Земли и при отражениии преломлении на резких границах раздела внутри Земли (например, на границераздела мантия – ядро) продольные волны P порождают поперечные волны Sи наоборот (рис.
3). В результате возникает большое разнообразие типов путей сейсмических волн в недрах Земли. Границы раздела в недрах Земли как1 Сейсмическимволнам посвящена специальная книга Е.Ф. Саваренского «Сейсмические волны». — М.: Недра, 1972; см. также Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию. — М.:Мир, 1966.17V' < VSH'SV'i'SV'P'i'P'ie'eeVSHSHаPi ii iSVPSVбPi iSVвРис. 3. Схема отражения и преломления сейсмических волн на границах раздела внутриЗемлибы анализируют сейсмические импульсы, которые их пересекают или от нихотражаются.
Так, импульс поперечной волны на границе разделяется на поперечные волны двух типов. В поперечной волне типа SH вектор смещения лежитв плоскости границы раздела. Особенностью SH-волн является то, что они неинтерферируют с продольными P-волнами и поперечными SV -волнами, векторсмещения которых лежит в плоскости луча (плоскость, содержащая луч и перпендикулярная к границе). В результате при прохождении границы SH-волнадает преломленную и отраженную волны только типа SH (рис. 3,а), а падениеSV - (рис. 3,б) и P-волн (рис. 3,в) в общем случае дает четыре волны: отраженные и преломленные SV - и P-волны каждая.
Так появляются так называемыеобменные волны. Для каждого типа волн при прохождении (границы отношение)sin i= const . Отсинуса угла падения i к скорости v остается постояннымvсюда получается, что угол падения равен углу отражения и отношение синусаугла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей волн поπ− i называется углом выхода.обе стороны границы. Угол e =2На сейсмограмме обычно регистрируется ряд фаз, каждая из которых связанас распространением волн по определенному типу пути. Стандартные обозначения различных типов лучей (и соответственно фаз на сейсмограммах) показанына рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
