Билет 5. Образование и внутреннее строение Земли. Сейсмологический метод и его роль в изучении Земли.

В настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого - внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой - твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация? Первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции. Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Процесс аккреции, столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался большим выделением энергии, с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т.е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Процесс становления нашей планеты по современным данным длился около 500 млн. лет и проходил в 3 фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земдя сформировалась по радиусу на 93-95% длилась около 100 млн. лет. Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста длилась тоже около 200 млн. лет. Третья фаза, продолжительностью до 400 млн. лет сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой.

Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс.км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов - плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли - Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако, уже 3,5-3,7 млрд. лет назад она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность таких древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого мантии.

Сейсмологический метод. Волна - это распространение некоторой деформации в упругой среде, т.е. изменение объема или формы вещества. При деформации в веществе возникает напряжение, которое стремится вернуть его к первоначальной форме или объему. μ=τ/ɛ(модуль упругости величина деформации деленная на величину напряжения)

Выделяют два типа сейсмических волн: объемные и поверхностные. Объемные волны бывают продольными и поперечными.(Пуассоном в 1828)

Продольные волны (P) - это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны, у них скорость распространения выше других волн и они первыми приходят на сейсмоприемники. Волна Р изменяет объем и форму тела.

Vp = корень((K-μ)/ρ), где K объемный модуль упругости, или модуль всестороннего сжатия, μ- модуль сдвига(упругости)

Поперечная волна,(S), это волна сдвига, при которой и деформации в веществе происходят поперек направления движения волны. Волна S изменяет только форму тела и она, как менее скоростная, приходит на сейсмоприемник позднее волны Р.

Vs= корень(μ/ρ)

Поверхностные волны, как следует из названия, распространяются в поверхностном слое земной коры. Различают волны Лява и Рэлея. В первых из них колебания осуществляются только в горизонтальной плоскости поперек направления движения волны. Волны Рэлея подобны волнам на воде, в них частицы вещества совершают круговые движения.

Поперечные волны не проходят через жидкое внешнее ядро, а у продольных есть «зона тени» в 35°, так как в жидком ядре волны преломляются. Сейсмограммы фиксируют время пробега внутри Земли сейсмических волн.

Земная кора ограничивается снизу очень четкой поверхностью скачка скоростей волн Р и S - поверхность Мохоровичича, или Мохо, или поверхность М. Вторая глобальная сейсмическая граница раздела находится на глубине 2900 км (граница Гуттенберга), отделяет мантию Земли от ядра. Примечательно, что ниже этой границы волны Р резко замедляются, теряя 40% своей скорости, а волны S исчезают, не проходя ниже. Т.к. для поперечной волны скорость определяется как модуль сдвига, деленный на плотность, а модуль сдвига в жидкости равен нулю, то и вещество, слагающее внешнюю часть ядра должно обладать свойствами жидкости.

На глубине 5120 км снова происходит скачкообразное увеличение скорости волн Р, а путем применения особого метода показано, что там появляются и волны S, т.е. эта часть ядра - твердая. (Леман 1936).

Ниже поверхности М, скорости сейсмических волн увеличиваются, но на некотором уровне, различном по глубине под океанами и материками, вновь уменьшаются, хотя и незначительно, причем скорость поперечных волн уменьшается больше. В этом слое отмечено и повышение электропроводности, что свидетельствует о состоянии вещества, отличающегося от выше и нижележащих слоев верхней мантии. Особенности этого слоя, получившего название астеносфера, объясняются возможным его плавлением в пределах 1-2%, что обеспечивает понижение вязкости и увеличение электропроводности. Плавление проявляется в виде очень тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при Т порядка +1200 ° С.

Астеносферный слой расположен ближе всего к поверхности под океанами, от 10-20 км до 80-200 км, и глубже, от 80 до 400 км под континентами, причем залегание астеносферы глубже под более древними геологическими структурами. Мощность астеносферного слоя, как и его глубина сильно изменяются в горизонтальном и вертикальном направлениях. В современных геотектонических представлениях астеносферному слою отводится роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие слои мантии и коры.

Земная кора и часть верхней мантии над астеносферой носит название литосфера. Литосфера холодная, поэтому она жесткая и может выдержать большие нагрузки.

Литосфера и астеносфера- тектоносфера.