В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 17
Текст из файла (страница 17)
4.15). Аналогичные, но меньшие по размерам хребты есть в Индийском и Тихом океанах (2-4 на рис. 4.15). Эпицентры землетрясений располагаются вдоль хребтов. Для объяснения такой структуры океанского дна была выдвинута гипотеза о том, что дно образуется и разрастается в результате внедрения изверженных пород в центральной части (рифтовые долины) океанских хребтов. Эти породы оттесняются в стороны, когда новая магма изливается в том же самом месте. За 200-300 млн лет все раздвигающееся океанское дно обновляется, а прежние породы погружаются в мантию в так называемых зонах субдукции.
На основе этой модели Вайн и Метьюз объяснили происхождение линейных магнитных аномалий. После того как расплавы, поднимающиеся из мантии, затвердевают, они приобретают термоостаточную 1„, соответствующую направлению поля в это время. Новые порции магмы, появляющиеся в том же месте, при охлаждении могут намагнититься уже в поле противоположного знака в результате происходящих с течением времени инверсий. Поэтому чередование положительных и отрицательных аномалий — это результат чередования прямо- и обратнонамагниченных участков океанской коры. Таким образом, картина линейных магнитных аномалий является естественным следствием расширения (спрединга) океанского дна и инверсий геомагнитного поля.
Линейные магнитные аномалии океана являются, по существу, палеомагнитными аномалиями, непосредственно связанными с магнитохронологией инверсий геомагнитного поля. Такая связь позволяет оценить время, протекшее между образованием любых двух аномалий. А зная их положение на океанском дне, можно рассчитать скорость спрединга дна в данном регионе океана. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГЛАВНОГО ПОЛЯ Для того чтобы выдвинуть разумные гипотезы о происхождении главного геомагнитного поля, необходимо достаточно хорошо знать, во-первых, основные свойства поля и, во-вторых, внутреннее строение Земли.
Любая современная теория генерации главного поля не должна противоречить данным о его свойствах, основные из которых, как было показано выше, следующие. 1. В первом приближении главное поле является полем центрального, наклоненного к оси вращения Земли магнитного диполя. 2. Напряженность поля изменяется в среднем от 35 10 нТл на экваторе до б5 . 10З нТл на полюсах. го1 В =р го1 Е = — дВ/д~, [Ич В =О, 1= а [Е+ [тВ]), (4.43) где р — магнитная проницаемость (она может быть равной,ио), о— электропроводность, у — плотность тока, Š— электрическая напряженность, о — скорость движения проводящей жидкости.
Применим операцию го1 к первому уравнению системы (4.43), при игом учтем, что/ = а [Е + [тВд) и гоГ Е = — дВ/до гогго! В =/га [-дВ/де+ гог [тВ[). 93 3. Магнитный момент земного диполя равен 8 1022 А м2. 4. Главному полю. присущи вековые вариации, имеющие дискретный спектр с определенным набором периодов колебаний. 5. Имеет место западный дрейф недипольной части главного поля. б. Главное поле время от времени изменяет свою полярность— происходят инверсии геомагнитного поля с характерными временами 105-:106 лет. Разумеется, ученые-геомагнитологи не откладывали вопрос о происхождении поля на то время, когда выяснятся все его свойства. Можно с уверенностью сказать, что и сейчас далеко не все свойства геомагнитного поля нам известны. Поэтому, начиная с Гильберта (1600), выдвигались самые разнообразные, в том числе и совершенно фантастические, гипотезы о происхождении геомагнитного поля, о которых можно прочитать в соответствующих книгах по геомагнетизму.
Если говорить о современных теориях геомагнитного поля, то следует начать с теории динамоэффекта Френкеля (1947), который впервые выдвинул разумную идею регенерации поля за счет вихревых движений в жидком электропроводящем ядре. В дальнейшем основополагающие работы по теории земного диполя выполнили Эльзассер и Буллард. Основой современных теорий являются уравнения Максвелла и гидродинамические уравнения движения жидкости (Навье-Стокса) и неразрывности.
Рассмотрим уравнение Максвелла: Из этого уравнения с учетом того, что' го1 го1 В = рад сИч  — Ч В = 2 = — Ч~В, получим уравнение для магнитного поля дВ/д1 = го1 [чВ] + (~ыо) Ч В, (4.44) где (,ио) ~ = м — магнитная вязкость, которая может рассматри- ваться как аналог кинематической вязкости ~ . В (4.44) помимо В есть еще неизвестное ч, для определения которого следует использовать гидродинамические уравнения.
Уравнение движения запишем в форме Навье-Стокса: — = — — ягад р+ ~Л ч+ я — 2 [ал~] + — [1В]. (4.45) с~~ 1 2 1 ~Й Р Р В гидродинамике оператор ИИ( = д/д~ + (ч ягад ). Выражая в (4.45) 1 согласно первому уравнению (4.43), получим д~ 1 г д1 — + ~ ягад ч = — — ягад р + ~Ч ч + я— Р— 2 [си4 + — [го1 В х В]. 1 РР (4.46) (4.47) дР/д1+ с$$ч (Рм) = О, которое для несжимаемой жидкости (Р = сопзО будет иметь вид с11чч = О. (4.48) В принципе, уравнения магнитной гидродинамики дают возможность в случае их строгого решения определить, существует ли самовозбуждающееся динамо в ядре Земли. Однако даже если были бы точно известны все члены уравнений, решение их было бы крайне затруднительно.
А если' учесть, что в применении к ядру Земли значения многих параметров уравнений либо известны приблизительно, либо вообще неизвестны, то задача гидромагнитного динамо Земли в такой общей постановке в настоящее время неразрешима.
Уравнение (4.46) — уравнение движения единицы объема жидкости, р — ее плотность, р — давление за вычетом гидростатического, м — кинематическая вязкость, член 2 [сич] — сила Кориолиса, где сд — угловая скорость вращения Земли. Последний член правой части представляет силу Лоренца. Для полного замыкания системы уравнений магнитной гидродинамики к (4.44) и (4.46) следует еще добавить уравнение неразрывности Простейший начальный подход к проблеме генерации главного поля заключается в построении кинематических моделей земного динамо.
При этом скорость жидкости считается заданной, а определяется только магнитное поле согласно (4.44). Выбор скорости частично определяется данными наблюдений, частично — соображениями симметрии и самой формой уравнений генерации. Например, наличие западного дрейфа указывает на существование азимутальной скорости и дает порядок ее величины. Уже первые кинематические модели показали, что кроме меридионального (полоидального) поля, которое проникает наружу и наблюдается на поверхности Земли, в земном ядре имеется также гораздо большее азимутальное (тороидальное) поле с замкнутыми силовыми линиями, которое не выходит из ядра наружу.
Относительная скорость ядра и мантии возникает за счет значительного магнитного взаимодействия мантии с ядром. С.И. Брагинский рассмотрел кинематические модели с помощью уравнений генерации и показал, что можно подобрать правдоподобные скорости в ядре, которые приводят к генерации магнитного поля, близкого к реально наблюдающемуся. Из теории вытекает, что наличие несимметричных скоростей, необходимых для генерации поля, вызывает появление соответствующих несимметричных компонент магнитного поля В. Отсюда следует, что наблюдающиеся поперечные составляющие магнитного диполя — наклон магнитной оси, а также более высокие гармоники, например квадрупольные, дающие эксцентриситет диполя,— не являются случайными, а непосредственно связаны с самим механизмом генерации. Наличие этих составляющих, согласно С.И.
Брагинскому, связано с несимметричными движениями в ядре, приводящими к невыполнению условий запрещающей генерацию теоремы Каулинга, что и необходимо для работы динамо. Согласно теории С.И. Брагинского, возникающая в результате действия гидромагнитного динамо генерация главного поля не является стационарной, а испытывает ряд колебаний, которые можно сопоставить с вековыми вариациями геомагнитного поля, Основное колебание поля с Т = 8000 лет, представляющее изменение дипольной части поля в 1,5 — 2,0 раза, связано, согласно теории, со временем взаимодействия между тороидальными и полоидальными полями в обьеме ядра Земли в процессе крупномасштабной конвекции вещества ядра.
Колебания с Т вЂ” 600 — 1800 лет, обусловливающие движение и распад крупных неоднородностей геомагнитного поля, обьясняются неустойчивостью осесимметричного радиального потока вещества в низких широтах, при которой взаимодействие магнитных, архимедовых и кориолисовых сил приводит к возник- 95 новению своеобразных МАК-волн, движущихся в широтном направлении. 60-летние вариации, по С.И. Брагинскому, обьясняются крутильными колебаниями в системе ядро — мантия, возникающими при движении альвеновской волны в жидком ядре Земли.
Вариации с Т = 4 — 40 лет внутриземного происхождения связаны с мелкомасштабными турбулентностями в верхних частях ядра, осуществляющими более эффективное "перемешивание", чем механизм молекулярного переноса. Существуют и другие подходы к теории происхождения геомагнитного поля. Теория гидромагнитного динамо является только наиболее распространенной среди геофизиков. Однако и в этой теории разработаны лишь кинематические аспекты, практически не разработанными остаются проблемы динамики и энергетики земного динамо. ГЛАВА 5 ЛИТОСФЕРА ЗЕМЛИ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ ЛИТОСФЕРА И АСТЕНОСФЕРА Достаточно детально сейсмическими и другими геофизическими методами изучена верхняя мантия Земли. Эта часть Земли наиболее доступна для геофизического изучения и наиболее важна для жизни человечества. Верхняя мантия простирается от границы Мохо до глубины 400 км.
В состав верхней мантии входит нижняя часть литосферы и верхняя часть астеносферы. Литосфера представляет собой каменную (твердую и прочную) верхнюю оболочку Земли. Ее толщина изменяется от 50 до 150 км в разных регионах Земли, следовательно, литосфера включает земную кору и часть верхней мантии, в которой мантийное вещество настолько остыло, что превратилось в горную породу. Глубже литосферы находится зона пониженных скоростей (по сравнению с таковыми в литосфере) сейсмических волн. Эта зона, простирающаяся от подошвы литосферы до -300-400 км, называется аствносфврой. Слои астеносферы легко деформируются под действием сдвиговых напряжений за счет пластичности (ползучести) астеносферного вещества. Такое поведение вещества связано с его частичным плавлением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
