Глава 02. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ ЗЕМЛИ (1119265), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Ярошевскому (1976); 2) Наша модель с использованием данных Л.В. Дмитриева(1973) и А. Рингвуда (Ringwood, 1966); 3) H. Urey, H. Craig (1953);4) Флоренский К.П., Базилевский Ф.Т. идр., 19812.7. Плотность земных недрНесмотря на недоступность недр Земли для непосредственных исследований,распределение плотности вещества в мантии и земном ядре удается определить достаточнонадежно по данным о скоростях распространения в этих геосферах сейсмических волн отземлетрясений. Впервые разработанная К.
Булленом (1958, 1966) такая методика впоследствиибыла существенно усовершенствована им и другими исследователями за счет привлечениядополнительной информации о моменте инерции и свободных колебаниях Земли, чтозначительно повысило достоверность определений.В основе методики определения распределения плотности в Земле лежат известныеуравнения гидростатики и термодинамические соотношения, связывающие радиальныеградиенты плотности в среде с сейсмическими параметрами среды. В связи с тем что скоростисейсмических волн с глубиной обычно возрастают, интерпретация сейсмических годографов сцелью определения зависимостей этих скоростей от глубины проводится по методикеГерглотца–Вихерта, специально разработанной для исследования градиентных сред.Найденные таким путем распределения скоростей продольных и поперечных сейсмическихволн в Земле приведены на рис.
2.11.Наиболее характерной чертой распределения сейсмических скоростей в Земле являетсярезкое и значительное падение скорости продольных волн в земном ядре. Объясняется это тем,что скорость распространения продольных волн зависит не только от модуля всестороннегосжатия, но и от модуля сдвига, который во внешнем, жидком земном ядре обращается в ноль.45По этой же причине через жидкое вещество внешнего ядра не могут распространяться ипоперечные волны.Уравнения, связывающие между собой значения сейсмических скоростей с параметрамисреды, позволяют определять лишь градиенты плотности, поэтому для построения самойзависимости плотности от глубины приходится задаваться граничным значением плотности наповерхности Земли ρ0 =3,32 г/см3.
При этом “сшивку” решений, получаемых для отдельныхгеосфер (например, для ядра и нижней мантии), производят по условию непрерывностидавления на границах этих геосфер, а значения плотности в них подбирают таким образом,чтобы расчетные значения массы и момента инерции Земли совпадали бы с их измереннымизначениями М = 5,977·1027 г и I = 0,8038·1045 г·см2 при среднем радиусе Земли R = 6371 км.Дополнительные уточнения в распределение плотности с глубиной, особенно в переходномслое Голицына, позволяют внести данные о частотном спектре собственных колебаний Земли,возбуждаемых сильными землетрясениями.Используя описанную методику К. Буллен (1966, 1969), В.Н.
Жарков (1971), А.Дзивонский и др. (1975) построили наиболее известные и популярные в настоящее времямодели распределения плотности в Земле, изображенные на рис. 2.13. На этом же рисунке длясравнения приведены распределения плотности, построенные Л.М. Наймарком и О.Г.Сорохтиным (1977) по данным ударного сжатия вещества для модели Земли с лерцолитовымсоставом мантии, окисно-железным внешним и железоникелевым внутренним ядром, приадиабатическом распределении температуры в земных недрах, а также распределениеплотности в первичной, еще не дифференцированной Земле.Рис. 2.13. Распределение плотности в разных моделях Земли: 1 − модель Наймарка–Сорохтина (1977а); 2 −модель Жаркова “Земля-2” (Жарков и др., 1971); 3 − модель Буллена А1 (1966); 4 − модель Буллена А2(1966); 5 − модель первичной Земли Наймарка – Сорохтина (1977б)Как видно из рис.
2.13, плотность верхней мантии начиная от значения 3,2 г/см3 наповерхности постепенно возрастает с глубиной вследствие сжатия ее вещества. Начиная сглубины 400 км плотность увеличивается более резко и скачкообразно (на рис. 2.13 эти скачкиплотности не показаны). С глубины приблизительно 900 км градиент плотности вновьснижается и далее плотность монотонно возрастает до 5,6 г/см3 на подошве мантии. Резкоеувеличение градиента плотности в переходном слое мантии (в слое С), как уже отмечалось,связано с происходящими на этих глубинах полиморфными переходами мантийного вещества вболее плотные фазы: оливина – в шпинелевую фазу, пироксена – в ильменитовую и далее вперовскитовую и т.д.
В противоположность этому в нижней мантии существенных перестроек в46кристаллическом строении вещества больше не происходит, поскольку все окислы в этойгеосфере уже находятся в состоянии предельно плотной упаковки атомов и сжатие мантийноговещества происходит только благодаря сжатию самих атомов.На глубине около 2900 км плотность в Земле скачком увеличивается почти в два раза:примерно с 5,6 г/см3 на подошве мантии до 9,5–10 г/см3 на поверхности ядра, убедительносвидетельствуя тем самым о резкой смене химического состава земного вещества на этомуровне.
В ядре плотность вещества вновь монотонно возрастает. В некоторых моделях строенияЗемли предполагается, что между внешним и внутренним ядром на уровне слоя F происходитеще один, правда, менее значительный скачок плотности, также свидетельствующий обизменении на этой глубине состава “ядерного” вещества или его фазового состояния. Наконец,последний заметный скачек плотности должен наблюдаться на глубине около 5150 км,отмечающий собой переход от внешней жидкой оболочки земного ядра к его внутреннейтвердой сердцевине. По нашим оценкам, на этой границе плотность “ядерного” веществаскачком меняется от 11,4–12,3 до 12,5–13,4 г/см3 (т.е.
на 8–10%) и в центре Земли достигает13,5–14,4 г/см3.Рис. 2.14. Принятое распределение плотности в современной и первичной ЗемлеЕсли известен или предполагается химический состав земного вещества, то оказываетсявозможным построить и модельное распределение плотности в земных недрах, используя дляэтого экспериментальные данные по ударному сжатию главных породообразующих окислов иметаллов. Этот путь интересен тем, что позволяет, с одной стороны, независимым способомопределить значения плотности вещества в Земле, а с другой стороны, проверить правильностьсделанных предположений о химическом составе нашей планеты. Кроме того, подобрав всоответствии с сейсмическими данными состав геосфер современной Земли и задавшисьосновными закономерностями ее дифференциации, использование этого метода позволяетопределять распределение плотности в Земле на любом этапе ее эволюции.
На рис. 2.13 и 2.14для сравнения приведено распределение плотности в первичной (недифференцированной)Земле. В настоящее время методика определения плотности силикатов, окислов и металлов привысоких давлениях и температурах по данным ударного сжатия образцов вещества разработанадостаточно полно и подробно описана в специальных работах (Альтшулер, 1965; Жарков,Калинин, 1968; и др.). Точность определения зависимости плотности от давления итемпературы (уравнения состояния вещества) по данным ударного сжатия обычно лежит впределах 2–3%, что для большинства геофизических задач является вполне приемлемой.Как видно из сопоставления расчета плотности лерцолитовой мантии (см.
рис. 2.10),окисно-железного внешнего и железоникелевого внутреннего ядра (см. рис. 2.13) с наиболеепопулярными распределениями плотности в Земле, построенными по сейсмическим данным,принятая нами модель химического состава Земли неплохо соответствует общепринятым47плотностным моделям ее строения. Отсюда можно заключить, что рассматриваемая модельсостава Земли также неплохо отражает реальную ситуацию в ее недрах. При этом следуетобратить внимание на примечательный результат расчетов: плотность океаническихлерцолитов, обнажающихся прямо на поверхности Земли в трансформных разломахокеанических рифтовых зон, при высоких давлениях и адиабатической температуре с большойточностью совпадает с определенной по независимым сейсмическим данным плотностьювещества в нижней мантии. Причем такое совпадение получается без всяких предположений обизменении химического состава лерцолитов с глубиной! Это очень важный результат.
Онубедительно свидетельствует о том, что химический состав всей мантии в целом (верхней инижней) в среднем одинаков.Такой результат расчетов может быть объяснен лишь существованием в мантийнойоболочке Земли конвективных движений, эффективно перемешивающих вещество всей мантии.При этом, правда, необходимо учитывать, что, несмотря на одинаковый средний состав мантиипо всей ее толще, локальные плотностные неоднородности, не превышающие, однако 0,1–0,15г/см3, безусловно, существуют в этой геосфере. Более того, именно благодаря такимплотностным неоднородностям и развиваются конвективные движения в мантии, а саминеоднородности постоянно генерируются процессом дифференциации мантийного вещества наповерхности земного ядра и погружениями по зонам субдукции холодных литосферных плит вглубины горячей мантии.Другим важным следствием, вытекающим из рассмотренной плотностной модели Земли,построенной по заданному составу ее оболочек, является вывод о том, что внешнее ядро Землиможет состоять из окиси одновалентного железа Fe2O (или сплава Fe·FeO), а внутреннее ядро –из сплава железа с никелем Fe0,9·Ni0,1.
Ядро Земли в этой модели характеризуется следующимипараметрами: масса Мс = (1,94±0,01)·1027 г; объем Vc = 0,180·1027 см3; давление на поверхностиядра рс = 1,34 Мбар; давление в центре Земли р0 = 3,7 Мбар; средняя плотность ядра ρc = 10,6г/см3. Результаты расчета принятой нами плотностной модели Земли приведены в табл. 2.2.Т а б л и ц а 2.2.Распределения плотности, температуры, давления и ускорения силы тяжести всовременной Земле*)ГлубинаПлотность,Температура,кмг/см3К020043043060067067080010001200140016001800220026002,853,303,603,824,094,164,374,494,614,724,834,945,045,255,4528817701940201021302170211021702260236024502540264028203010Давлениекбар065,5138–”–218,6247,2–”–305,7397,7491,7587,8686786,3994,91216,2Ускорениесилытяжести,см/с2981990997–”–10001001–”–100099699499399399510061033Глубинакм288628863000340038004200460050005120512054005800600062006371Плотность,г/см35,609,9210,0610,6011,0611,4311,7211,9712,0413,0013,1013,2313,2713,2913,29Температура,ДавлениеК3130–”–3310388044004870528056205710–”–58906060611061406140кбар1384–”–1503190922872628292631753242–”–33823518355935803583Ускорение силытяжести,см/с21067–”–1041945841732622517490–”–386227155680*) При расчете распределений плотности, ускорения силы тяжести и давления использовались основныепараметры: масса Земли М = 5,9771·1027 г и безразмерный момент инерции сферической Земли J = 0,33053.48Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
