В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Волны с большой скоростью пересекают пространства океана и могут вызывать серьезные разрушенияна побережье в тысячах километрах от очага землетрясения. Чащевсего цунами обрушиваются на берега Тихого океана, так как онопоясан кольцом очагов землетрясений с высокой сейсмической активностью. Во время Чилийского землетрясения 1960 г. возниклиособенно сильные цунами, которые на всем Тихоокеанском побережье достигали высоты в несколько метров. Скорость распространения цунами равна(2.27)где h — толща захваченной волновым движением воды (глубинабассейна).
Для океана глубиной 5 км скорость цунами составляет790 км/ч, период 10-М0 мин, Л ~ 100 км и более. В океане эта волнанезаметна, цунами можно определить только по показаниям гравиметров. По мере приближения к берегу длина волны уменьшается,нарастает высота гребней за счет утончения водного слоя при сохранении в основном волновой энергии.
Волна может фокусироватьсяна отдельных участках при подходе к берегу. В бухтах и расширенных устьях рек могут возникнуть собственные колебания уровняводы (сейши).95% волн цунами вызываются землетрясениями и только 5% —вулканическими извержениями, обвалами и пр. Но именно цунамиот сильных вулканических извержений являются наиболее мощными(Санторин, Кракатау, Риттер-Сакар и др.).М И К РО С Е Й С М ЫКроме волн от землетрясений сейсмографы записывают более илименее непрерывный фон, преобладающие периоды которого обычносоставляют от 5 до 10 с, а амплитуды иногда достигают 10 мкм. Такиеколебания называются микросейсмами.Микросейсмы возбуждаются разными источниками. Большой интерес представляют микросейсмы, возбуждаемые штормами в океане,береговыми прибоями.
Существует связь между циклонами на океанах и большой интенсивностью микросейсм. Сверхдлиннопериодныемикросейсмы вызываются, по современным представлениям, вариациями атмосферного давления.ПОНЯТИЕ О М ОДЕЛЯХВН У ТРЕН Н ЕГО С Т РО Е Н И Я ЗЕ М Л ИВ связи с тем что невозможно полностью адекватно описать какой-либо сложный природный объект, вводится понятие о его модели, которая представляет некую схему этого объекта, отражающуюосновные черты его строения. В геофизике, согласно В.Н. Жаркову, под моделью Земли понимается разрез нашей планеты, на котором показано, как меняются с глубиной ее важнейшие параметры: плотность, давление, ускорение силы тяжести, скорости сейсмических волн, температура, электропроводность и др.
Рассмотренноевыше внутреннее строение по сейсмическим данным можно считатьсейсмической моделью Земли.Представляет интерес распределение в недрах Земли физическихпараметров, в частности теплоемкости, коэффициента теплового расширения, адиабатических температур, теплопроводности и вязкости,электропроводности и т.д. Модель, построенная на основе теоретических закономерностей изменения физических параметров с глубинойи сопоставленная с экспериментальными данными, называется физической моделью внутреннего строения Земли.Для определения термодинамических условий мантии и ядра Земли и расчета термодинамических коэффициентов необходимо использовать такие функции плотности земных недр, как дебаевская температура в(р) и параметр Грюнайзена у(р).По дебаевской температуре можно выделить высокотемпературную часть Т > в некой области, где свойства среды подчиняютсязаконам классической статистической физики.
Именно этот предельный случай имеет место в земных недрах, мантии и ядре.Рассмотрим, следуя В.Н. Жаркову, определение дебаевской температуры. Спектр собственных колебаний атомов твердого тела представляется как простой спектр, в котором число собственных частот,приходящихся на интервал от а> до со + Асо, равноz (со)Асо = — z—г Асо2л v 3(2.28)ще v — средняя звуковая скорость:Зи 3 =.vp 3 + 2vs 3(2.29)(vp и v s — скорости объемных сейсмических волн), V — объемтвердого тела.
Полное число собственных частот равно 3N, где N —число атомов в объеме V. Дебаевская частота а>д определяется какмаксимальная частота в дебаевском спектре (2.28).Энергию фонона с частотой а>д можно записать в двух видах:Можно следующим образом определить дебаевскую температуру в:это измеренная в градусах энергия максимального (предельного)дебаевского фонона. Формула (2.30) показывает, что данные сейсмологии позволяют определить дебаевскую температуру как функциюглубины в мантии и ядре Земли в([).Вторая необходимая для физической модели функция — это параметр Грюнайзена у(р), который характеризует изменение дебаевскойчастоты при изменении плотности р или глубины I:< 2 '3 1 >По формуле (2.31) вычисляется /(/), так как функции 0(7) и р{1)нам известны.
Функция у([) — медленно изменяющаяся величинапорядка единицы.Классический случай в > 1000ЪС в недрах Земли реализуется наглубинах I > 100 км, т.е. в большей части недр. По закону Дюлонга иПти в этом случае удельная теплоемкость су выражается так:С у= 3R v f М = 3 я / А ,(2.32)где R = 8,314 Дж/(моль • К) — газовая постоянная, М — относительная молекулярная масса, v — число атомов в молекуле, А — средняяотносительная атомная масса, для определения которой необходимознать средний атомный вес вещества.Удельная теплоемкость ср при постоянном давлении равнаср ~С у(1 + уаТ ) ,(2.33)где« = уср р / Ks = ycv p / K T —(2.34)коэффициент теплового расширения (Ks, К т — адиабатический иизотермический модули сжатия).
Адиабатическийи изотермический ф т) коэффициенты сжимаемости связаны с теплоемкостямитермодинамической формулойPrfPs=KJ K T=cp / c V•<2 - 3 5 >Вычислив по формулам (2.32)-(2.35) термодинамические коэффициенты, можно рассчитать адиабатический градиент температурыв мантии и ядре по формуле( d T / d l ) ^ = g a T /cp ,(2.36)где g — ускорение силы тяжести, / — глубина.Коэффициент теплопроводности мантии ае складывается из двухчастей: аер — решеточной части теплопроводности, обусловленноймеханизмом переноса тепла в диэлектриках за счет диффузии фононов, и аел— лучистой части, обусловленной переносом тепла инфракрасным излучением. Таким образом,ае = аер + аел .(2.37)Первое слагаемое аер определяется с помощью дебаевской температуры 0(р) и параметра Грюнайзена у(р):v 1 /3 дЗя= Л ру3 Т(2.38)ще K s 1/р — объем элементарной ячейки среды, А — экспериментально определяемый постоянный коэффициент.Механизм лучистого переноса тепла начинает давать заметныйвклад в ж в неметаллах при Т ~ 2000-5000 К.
Выражение для аелимеет вид<2-391ще сг* = к 2к 4/ 60ЙТ Зс2 — постоянная Стефана - Больцмана, а — коэффициент поглощения, п — показатель преломления, с — скорость света. Наиболее неопределенным является коэффициент поглощения, который в настоящее время принято считать равныма ~ 100 см-1.Проще решается вопрос о теплопроводности земного ядра, так какв металлах коэффициент ж связан с коэффициентом электропроводности о законом Видемана - Франца:o = ’i { J7 ) T ‘ LT’<2-40>ще е — заряд электрона, L = 5,86 • 10-9 кал • Ом/(с • К2). Оценкапо этой формуле дает следующее значение для ае земного ядра:ае~ 0,1 кал/(см • с • К).Важным параметром физической модели Земли является вязкость.Ее определение представляет большие сложности для физики планетных недр.
Подробно этот вопрос, как и вообще вопрос о моделяхЗемли, рассмотрен в книге В.Н. Жаркова “Внутреннее строение Земли и планет” (1983).ГЛАВА 3ТЕПЛОВОЙ РЕЖ ИМ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИОСН ОВН Ы Е И СТОЧНИКИ ТЕПЛА ЗЕМ Л ИНам известны температура поверхности Земли и тепловой потокиз земных недр, наблюдаемый на поверхности. Эти данные можноинтерпретировать различным образом, поэтому здесь много неопре51деленности.
Для глубины более 100 км наши знания о распределении температуры весьма ненадежны, а расположение источниковтепла и механизмы его переноса неизвестны. Однако изучение теплового режима Земли очень важно, поскольку тепловая энергия прямо или косвенно является причиной большей части тектоническихи магматических процессов, метаморфизма и генерации магнитногополя Земли.Таблица 2Основные составляющие энергетического баланса ЗемлиИсточник энергииВеличина энергии,эрг/годСолнечная энергия1032Геотермическая энергия10 28Упругая энергия землетрясений1025Энергия, теряемая при замедлении Земли (за счет неупругости при приливном взаимодействии Земля-Луна)Тепло, выносимое при извержении вулканов3 • 10262,5 • 1025Как видно из табл.
2, самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная ее часть излучается обратно, в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникаетвнутрь Земли на глубину, не превышающую 30-40 м, где температура остается постоянной. Начиная именно с этих глубин в шахтахпроизводятся измерения теплового потока, плотность q которого определяется по формуле<7 = -A grad 7\(3.1)где А — теплопроводность горных пород, grad Т — геотермическийградиент, противоположный направлению q.В дне океанов измерения q проводятся на меньших глубинах(несколько метров) в толще осадочных пород, так как дно от влияниясолнечной энергии защищает толстый слой океанской воды.
Полнуюэнергию можно выразить как Е = q • S • t , где S — площадь поверхности Земли, t — время (годы).ТЕПЛО И В О ЗРА С Т ЗЕМ Л ИИз табл. 2 видно, что выделяющаяся из Земли тепловая энергия (1028 эрг/год) существенно превышает возможности ее источников (3-5). Кельвин в 1899 г. предположил, что наблюдаемое значение q связано с остыванием первоначально сильно разогретой Земли. Для расчетов использовалось уравнение Фурье для теплопроводности:<з-21где р — плотность, с — теплоемкость, А — коэффициент теплопроводности, Н — скорость выделения тепла в единице объема.Кельвин рассматривал первоначально расплавленную кору, которая постепенно остывала снаружи, градиент д Т / dt определялся разностью температур подошвы и поверхности коры, он уменьшалсяпо мере остывания коры, Н = 0.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
