В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 27
Текст из файла (страница 27)
В этих моделях латеральное разрешение не превышает нескольких тысяч километров, но крупномасштабное поле неоднородности сейсмических скоростей выявляется достаточно надежно. 2. Во втором направлении кора и мантия разбиваются на блоки и определяются невязки по отношению к отсчетной референтной модели, за которые в современных построениях принимактг модели !АЗР91 и обобщенную модель АК135. Одна из первых попыток построить томографнческую модель мантии путем разделения ее на блоки приналлежит Клейтоиу и Камеру (1983), В современных построениях, идущих по этому пути, мантия разбивается на достаточно мелкие блоки с размерами - Г ( примерно 100 км), в которых определякпся невязки скоростей Ьс „Ьс распространения волн с их значениями в базовой модели.
$.4.2. Основные принципы сейсмической темегрефмм Принцип построения сейсмотомографических моделей заключается в следующем (Андерсон, Дзевонски. ! 984: Короновский, 2000). Пусть сейсмические волны генерируются многими источниками.
например очагами землетрясений, и регистрируются одновременно на многих сейсмических станциях (рис. 5.1! ). Задав некоторую станлартную модель Земли (РВЕМ илн 1АБР91), можно рассчизтгть модельное время прихода лучей от кажлого источника на каждую Рис.
5Л 1. Сейсмическая томография; светлая область внутри — аномальная, ее свойства отличаются от стандартнои модели станцию. Однако некоторые лучи могут проходить через области. имеющие аномальные, ве, отличаюшиеся (в ту или иную сторону) от модельной. скорости и плотность. Эти отличия будут влиять на время пробега сейсмических волн, проходящих через такие области, — они булуг отличаться и ог расчетного гмоделызого). Далее, в исходные скоростные модели вносят локальные вариации таким образом, чтобы лостичь наилучшей согласованности между молельным и измеренным временем пробега по всему используемому массиву данных.
При этом применяют достаточно сложный математический аппарат, в основе которого лежит метод наименьших квадратов. Чем больше сейсмических волн проходит через какую-либо неоднородность в Земле, тем более подробную информацию об изменениях фаз, периодов, амплитуд и скоростей этих волн мы будем иметь, Особенно важно число записей, так как одно землетрясение лает лишь одну усредненную скорость волны вдоль луча, попавшего на сейсмоприемник. Но когда лучей много и они идут в разных направлениях, взаимно пересекаясь, тогда информацию об областях, через которые они проходят; получаем более полную, Поскольку землетрясений ежегодно происходит сотни тысяч и число регистрирующих станций также велико, решение данной задачи требует самых быстродействующих компьютеров.
Сейсмотомография, суммируя информацию, часто использует сразу все типы волн. Это так называемая миоговолновал лгоиогра4ил„ которая дает гораздо более качественное представление о глубинных неоднородностях. Отбор экспериментальных сейсмических данных, а также их первичная обработка являются тем необходимым основанием, на котором строится вся лальнейшая работа лля получения изображения. Это особо следует отметить для того, чтобы было понятно. почему сейсмотомографические изображения, в основу которых положен, казалось бы, одинаковый первичный материал, при обработке разными исслелователями могут значительно отличаться.
170 Подчеркнем, что модели сейсмической томографии дают нарнанни ско)ннтни раснроснгранения сейсмических волн, причем по абсолютной величине они не превосходят нескольких процентов. Скорогл и распространения упругих волн в изотроп ной мантии определяются плотностью и двумя упругими модулями К и )з. Различные факторы, приводящие к неоднородности мантии (в первую очередь температура, химический состав, неупругость), по-разному влияют на р, К. ц и.
таким образом, — на ср и с . Связь скорости и плотности, которая была рассмотрена выше (чем больше плотность, тем выше скорость сейсмических волн), позволяет интерпретировать зти вариации как няотностные. Отклонение температуры ЬТот среднего„радиально симметричного распрелеления Т(г) примерно одинаково влияет на бс„и Й г Счгпаегся. что положительная корреляция между относительнымй изменениями скоростей Бс„гс,, и Й „'г . свидетельствует в пользу того, что неоднородность мантии обусловлена вариациями температуры.
Таким образом, результаты сейсмогомографических исследований допускают следуюгцую интерпретацию: выделяются относительно «холодные» (более плотные, высокоскоростные) н относительно «горячие» (менее плотные, низкоскоростные) области в мантии. $.4.3.
Результаты сейсмотомографичесиих исследований Полученные в последние 10 — 15 лет результаты по сейсмической томографии Земли позволили установить в первом приближении ее трехмерное строение (Андерсон, Дзевонски, 1984; Короновскпй, 2ООО; Лобковский, Котелкин, 1999). Выявленные латеральные и вертикальные отклонения скоростей сейсмических волн от средних сферически-симметричных значений обычно интерпретируются как следствие соответствующих температурных возмущений в конвектирующей мантии, Высокоскоростные «холодные» сейсмические аномалии отвечают относительно тяжелым погружающимся областям мантии, в зо время как низкоскоростные «горячие» сейсмические аномалии — более легким ее частям, испытывающим подъем. Однако картина, полученная геофизиками при использовании сейсмотомографии для изучения неоднородностей в мантии Земли, оказалась во многом неожиданной.
Важная особенность, которую удалось выявить, — разнонаправленное горизонтальное или близкое к нему движение (представляющее собой неоднородность) относительно холодного и нагретого вещества, а не только перемещение в вертикальной плоскости, как зто предполагалось раньше. Холодные и горячие струи вещества мантии образуют сложное переплетение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и при этом не наблюдается полного соответствия их глубинных продолжений по отношению к поверхностным (рис, 5.12).
00 км 140 км 290 км 640 км 700 кч 925 км 1225 кч 1525 км 1825 км 2125 км ЫУиз <%) 2425 кч 2770 км «О 1,5 со О.5 О -0.5 -бО 05 Рис.5.12. Томог фическо Ра е изображение относительных отклонений " р стен -волнотстандартноймоделинаразныхгл б лу илах в мантии; при лове хностным р мучил а исьданныеподлинноволновымобь м емным волнам, Р волнам и свободным колебаниям 0то мазтегз ет а) 2000.
из гочг)ег 2005 Р Ззб) 172 Так, например, нагретые колонны мантийного вещества под областями новейшего вулканизма, называются мангдийными плюмами или рифа)ольвии зонами срединно-океанических хребтов, не поднимаются из глубины в виде прямых колонн, а имеют достаточно сложную ((юрму (рис. 5.! 3). Гажгйн Исханхня а ай)авиа -нт ов гя Рис. 0.13. Томографическое (ло Р-волнана изображение мантийных ллюмов: светлые участки — области горячей (»медленной») мантии (ло но(ет е( а(., 2007. Р 251 с изменениями) В то же время наблюдается погружение холодных и более плотных океанических пластин под более легкие континентальные (рис.
5.(ч). Общая картина имеет весьма сложный вид. Погружающиеся хо- о Хонсю '1о»хв охс»о й и ф 100 Рис. 5л4, ТомограФический проФиль о. Хонсю (Японское море): видна холодная темная (»быстрая») океаническая литосфера, логружаюшаяся в мантию; светлме участки — области горячей (»медленной») мантии; белыми точками показаны <илоцентрм землетрясений: хорошо видна наклонная сейсмоФокальная зона (зона БеньоФФа1 (ло зтеггс 2002. Р 3 — 11 с изменениями) лодные плиты имеют различные углы падения — от почти вертикальных ло очень пологих. Часть из них достигает глубины раздела верхней и нижней мантии (б70 км), Часть проникает ниже, а некоторые как бы продавливают поверхность верхней и нижней мантии, образуя утолщение.
Таким образом, развитие сейсмической томографии открыло прежде недоступные возможности исследования неоднородностей строения Земли (прежде всего мантии). 5.5. ПРИРОДА ОСНОВНЫХ ГРАНИЦ И ОБОЛОЧЕК В ЗЕМЛЕ З.ЕЛ. Граница ядра н мантии Совокупность основных геофизических данных о нижней мантии и ядре Земли позволяет выделить слелуюшие свойства границы перехода от мантии к ядру. !.
Значительное увеличение плотности (- 70%). 2, Значительное уменьшение скорости Р-воли, падение до 0 скорости 5-волн. 3. Перехол вещества в жидкое состояние. 4. Резкое увеличение проводимости. Последнее обстоятельство говорит о том, что внешнее ядро облалает металлическими свойствами. Металлическое жидкое внешнее ялро Земли обеспечивает, в частности, генерацию магнитного поля Земли. Из тяжелых металлов только железо в металлической фазе составляет значительную часть метеоритов. Поэтому первая гипотеза о природе Земли сводилась к тому, что внешнее ядро состоит из расплавленного железа, мантия — из силикатов в твердой фазе„а граница мантия — ядро является химической границей. В настоящее время экспериментально получена зависимость плотности железа от давления в диапазоне ло нескольких мегабар.
Пересчет давления в глубины позволяет тем самым сравнить распределение плотности железного ядра с реальным распределением. Сравнение показывает„что кривая плотности для железа идет значительно выше, чем кривые плотности в моделях Земли. Сейсмическая функция для железа также не согласуется с модельной. Выход из этого противоречия сторонники гипотезы железного ядра видят в добавлении к железу тех или иных легких элементов. Наиболее подхолящими являются Я и Я. Плотность сплава железа с этими элементами согласуется с молельными распрелелениями плотности.
Гипотеза железного ядра сталкивается с трудностями при сопоставлении Земли с другими планетами Солнечной системы. Средняя плотность планет земной группы (кроме Меркурии) — Земли, Марса и Венеры, а также Луны, приведенная к одинаковому давлению, — тем больше, чем больше радиус планеты. Это означает. что чем крупнее планета, тем выше в ней доля тяжелых элементов (железа), В рамках гипотезы происхождения Солнечной системы из ели ного газон ылевого облака остается неясным такое неравномерное распределение тяжелых элементов по различ ныл< планетам. Гипотеза, объясняющая зависимость средней плотности от размера планеты, была выдвинута В.ХХ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
