Внутреннее строение Земли. Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли.

2. Состав, строение и свойства внутренних геосферЗемли.

1. Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли.Сейсмический метод (от греч. «сейма» – колебание, земле­трясение) изучения внутреннего строения Земли основан на наблюдениях за распространением сейсмических волн в ее недрах. Сейсмические волны –это упругие колебания вещест­ва, вызванные землетрясениями или искусственными взрыва­ми.

Сейсмические волны бывают двух типов – объемные и поверхностные. Объемные волны бывают двух типов продольные и пoперечные.

Продольные сейсмические волны распространяются в любых средах (твердой, жидкой, газообразной). Скорость их распространения в 1,7 раза больше скорости поперечных волн. Поэтому на сейсмограммах они регистрируются раньше, чем поперечные волны, и называются первичными, или волнами Р (от лат. Prima – первые).

Поперечные волны связаны со сдвигом вещества, т. е. с изменением его формы. Эти волны могут проходить только через твердое тело и затухают в жидком и газообразном веществах, ибо два последних не сопротивляются изменению формы. Поскольку на сейсмограммах поперечные волны регистрируются после про­хождения продольных волн, то они получили название вторичных, или S-волн (от лат sekundo – вторые).

Скорость распространения продольных волн v_р зависит от плотности среды в данной точке ρ, модуля сжатия К_cж и мо­дуля сдвига μ_сдв выражается формулой, известной из курса общей физики

(2.1)

(2.2)

Поскольку в жидких средах модуль сдвига μ_сдв=0, то это означает, что в них скорость распространения продольных волн равна

(2.3)

а скорость поперечных волн V_s=0. Из этого следует, что по­перечные сейсмические волны, в отличие от продольных, мо­гут распространяться только в твердых средах; в жидкос­тях и газах они затухают.

Поверхностные сейсмические волны. Поверхностные вол­ны (L-волны, от лат. longa–длинные) возникают на гра­нице разнородных сред у поверхности материков и океани­ческою дна.Они имеют большую длину, чем продольные и по­перечные волны, а скорость их меньше. В поверхностных волнах величина смещения максимальна на поверхности и очень быстро (по экспотенциальному закону) убывает с ростом глубины и обратно пропорционально расстоянию от их источника. Длина поверхностных волн – от десятков до многих сотен километров. Поэтому с их помощью изучаются лишь наружные слои Земли толщиной не менее нескольких километров.

Сейсмическая модель внутреннего строения Земли. Первая поверхность скачка скорости продольных и поперечных сейсмических волн находится на глубине в среднем около 60–70 км (верхняя мантия). На этой глубине от земной поверхности скорость распространения продольных волн резко возрастает с 5 до 8 км/с, резко возрастает и скорость поперечных волн – с 1,5 до 4,5 км/с. В следующем слое скорость продольных волн постепенно увеличивается, достигая максимума в 13,6км/с на глубине около 2900 км (верхнее ядро), после чего резко падает до 8,1 км/с, а затем к цент­ру Земли медленно возрастает до 11,3км/с

Скорость поперечных волн в слое от 70 до 2900 км так же, как и скорость продольных волн, постепенно нарастает до 7,5 км/с На глубине 2900км, как и у продольных, она резко снижается, но в отличие от них приближается к нулю.

Резкое изменение скоростей сейсмических волн на глубинах 70 и 2900 км дает основание для выделения в ней трех основных частей, или трех внутренних геосфер наружной (земной коры), промежуточной (мантии) и внутренней (ядра).

На границах сейсмических разделов первого порядка - между земной корой и верхней мантией и между нижней мантией и внешним ядром существенно изменяется и плотность вещества. Так, непосредственно ниже границы Мохо плотность пород значительно выше, чем в земной коре, и составляет 3,4 10³ кг/м³ В основании нижней мантии на глубине 2900 км она равна 5,7 10³ кг/м³. При переходе от мантии к ядру происходит резкое увеличение плотности до 10 10³ кг/м³. Затем плотность повышается до 11,5 кг/м³,а во внутреннем ядре составляет примерно 13 кг/м³.

Внутренние геосферы сильно различаются по толщине, объему и массе. Самой малой по толщине (33 км, или 0,5 % радиуса Земли), массе (5·10²² кг, или 0,8 % массы Земли) и по объему (1,7 10¹⁰ км³, или 1,6 % объема Земли) является земная кора, наибольшей по массе (405-1022 кг, или 67,8 %) и объему (89,1 10¹⁰ км³, или 82,2 %) – мантия, а по толщине–ядро (3573 км, или 55,2 %).

2. Состав, строение и свойства внутренних геосфер Земли. Мощность земной коры изменяется от 5–8 км под океанами до 30–40км в равнинных областях и до 70–75 км в ropныx районах континентальных областей. Средняя плотность земной коры составляет около 2,8 кг/м³. Самые древние из найденных образцов пород континентальной земной коры существуют на Земле 3,8млрдлет (океани­ческой коры – не ранее 200 млн. лет).

Материковая кора состоит из осадочного (р = 2,2 10³ кг/м³), гранитного (ρ=2,4–2,6 кг/м³ ) и базальтового слоев (p = (2,8–3,3)∙103 кг/м³). Океаническая кора тоньше материковой, она состоит из двух основных слоев–осадочного и базальтового.

Геохимический анализ показывает наличие в земной коре 93 химических элементов. Значения средних содержаний элементов в коре называются кларками (%) О–47,2; Si– 27,6; Al–8,3; Fe–5,1; Ca–3,6; Na–2,64; K–2,6, Mg– 2,1, Ti–0,6; H–0,15; C–0,1. На долю этих 11 элементов приходится 99,99% массы земной коры.

Мантия является переходной геосферой (промежуточной оболочкой) между земной корой и ядром Земли. Верхняя ее граница совпадает с поверхностью Мохо, нижняя – находится на глубине 2900км. По скорости прохождения сейсмических волн мантия под­разделяется на три слоя: В, С и Д. Верхний из них (слой В) называется верхней мантией, или слоем Гутенберга. Его ниж­няя граница расположена на глубине 350–410км. В пределах этого слоя продольные волны распространяются со скоростью более 8 км/с. Второй слой (С) – средняя мантия, или слой Голицына, простирается до глубины 850–900 км Скорость распространения продольных волн здесь достигает 11,4 км/с. Третий слой (Д) – нижняя мантия простирается до глубины 2900 км. В основании нижней мантии их ско­рость продольных волн достигает 13,6 км/с, поперечных–7,3 км/с.

Сейсмическим методом в верхней мантии на глубине око­ло 120–200 км под материком и 60–100 км и более под океанической корой установлен слой как бы «размягченных» горных пород, называемый астеносферой (от греч «астянос»– слабый) Астеносферный слой, или так называемый пояс размягчения, наиболее четко выражен и приподнят местами до глубин 20–25 км и менее под наиболее подвижными зонами земной коры и, напротив, слабо выражен и опущен под наиболее спокойными участками континентов (щитами платформ). В сводах молодых горных сооружений, как и в осевых зонах срединно-океанических хребтов, кровля астеносферы может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Вязкость вещества астеносферы на 2–3 порядка ниже, чем в покрывающих и подстилающих ее слоях мантии. Понижение скоростей продольных и поперечных сейсмических волн и повышение электропроводности в астеносфере можно объяснить частичным (около 1–10%) плавлением вещества мантии, происходящим в результате более быстрого повышения температуры с глубиной, чем повышение давления.

В мантии вещество облегченное удалением металлов, поднимается к земной коре, а тяжелое опускается. Так в мантии возникают вертикальные конвекционные токи. В верхней мантии на глубинах от 100 до 350 км, осо­бенно в пределах 100–150 км, сочетание температуры и давления таково, что вещество находится в размягченном или расплавленном состоянии и стремится всплыть. Вертикальные конвекционные токи металлов порождают горизонтальные астеносферные течения. Их скорость дости­гает нескольких десятков сантиметров в год (дрейф материков).

Верхняя часть мантии выше астеносферы вместе с земной корой составляют литосферу (от греч lithos–камень и sparia–шар), сравнительно хрупкую оболочку, обладающую упругими свойствами вверху и упруго-пластичными – внизу. В современной мантии около 8% ее массы приходится на железо, 30% его уже спустилось в ядро.

Ядро Земли На глубине 2900 км отмечается второй сейсмический раздел первого порядка, отделяющий мантию oт ядра. Тот факт, что земное ядро не пропускает через себя поперечные волны, скорость которых в нем равна нулю, означает, что модуль сдвига вещества ядра также равен нулю.

Земное ядро (его еще называют барисферой) – наиболее плотная внутренняя геосфера Земли. Средняя плотнось ядра – около 10,7-103 кг/м³, радиус–3470 км. По сейсмическим данным – скачку скорости продольных волн на глубине около 5000 км – в нем выделяют внешнее ядро, или слой Е, до глубины 4980 км и внутреннее ядро, или слой G. Между внешним и внутренним ядром имеется переходная зона (слой F) толщиной около 140км.

На глубине 2900км, т. е. на верхней границе ядра, давление достигает 137 ГПа, а в центральной его части – 343 ГПа. По физическим свойствам вещество в этом состоянии универсально-металлическое, обладающее магнитными свой­ствами. При температурах, господствующих внутри Земли (принимается, что температура в центральной части ядра около 5000°С), внешнее ядро расплавлено, а внутреннее, по последним данным, находится в твердом состоянии. По современным представлениям ядро на 85–90% состоит из железоникелевого сплава с примесью S, Mg и Si железное ядро). Во внешнем жидком ядре легкой добавкой к железу является кислород, а во внутреннем – никель.