Модель Буллена

Современные представления о внутреннем строении Земли базируются на данных наблюдений за прохождением продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Согласно этим данным, Земля имеет сложно-диф­ференцированное строение и состоит из оболочек, характеризующихся различной скоростью прохождения Р- и S-волн.

Наиболее резкие изменения упругих свойств наблюдаются на глубинах порядка 10 – 40 и 2900 км от поверхности Земли. В первом случае скорость продольных волн уве­личивается скачком от 6,5 до 8,1 км/с; во втором – резко уменьшается с 13,25 до 8,5 км/с (рис. 8).

Верхняя граница (8,1 км/с) была впервые обнаружена юго­славским сейсмологом А. Мо­хоровичичем в 1909 г. при анализе Загребского землетрясения 8 октября 1909 г. Эта граница условно принята за подошву земной коры. Она получила название «граница Мохоровичича», или «грани­ца М».

Нижняя граница (13,25 – 8,5 км/с) впервые была установлена немецким геофизиком Б. Гутенбергом в 1914 г. при изучении записи землетрясений с эпицентральными расстояниями более 80° от Геттин­гена. Граница Гутенберга характеризует переход от оболочки к ядру Земли.

Наличие у Земли обширного ядра уверенно устанавливается исчезновением волн Ри S на эпицентральных расстояниях в 105° (11 тыс. км) и наличием зоны тени между 105 и 142°.

Волна Рпоявляется вновь между 142° и 180° с большим запаздыванием. Впервые это было установлено Олдгеном в 1906 г. и впоследствии учтено Гутенбергом (Гутенберг, 1963). Резкое уменьшение скорости Ри непрохождение (или очень сильное ослабление) волны S являлось надежным свидетельством того, что в диапазоне глубин 1500 – 2900 км (считая от центра Земли) вещество обладает физическими свойствами, близкими к жидкости, поскольку, как это следует из выражения для определения скорости распространения поперечных волн, ; для жидких сред модуль сдвига m = 0, и поперечные волны в них не распространяются. Однако здесь правильнее говорить не о жидком состоянии вещества внешнего ядра, которое, как будет показано ниже, обладает все-таки ненулевой жесткостью, а о том, что это вещество является абсолютно несжимаемым или приближается к этому состоянию. Аналогичными свойствами обладает и жидкость.

В 1936 г. датчанка И. Леман установила существование внутреннего твердого субъядра. В последующие годы благодаря возросшему числу сейсмологических станций (в 1971 г. их было 1620) наличие внутреннего твердого субъядра было подтверждено регистрацией отраженных Рволн от его поверхности.

Очень скоро вслед за выделенными границами внутри Земли были надежно установлены еще две зоны изменения упругих свойств – в интервале глубин 50 – 250 км и на глубине порядка 900 км (рис. 9). Слой верхней мантии в интервале глубин 50 – 250 км характеризуется заметным уменьшением скоростей Р-и S-волн соответственно с 8,1 и 4,6 км/с в верхах мантии до 7,8 и 4,3 км/с на глубинах 100 – 250 км под континентами и 50 – 60 км под океанами. Этот слой пониженных скоростей получил название «20° границы», или «волновод Гутенберга». Твердый субстрат выше волновода (под древними докембрийскими щи­тами он совпадает с границей Мохоровичича) получил название «литосфера», а подстилающая область верхней мантии вплоть до глубин 250 – 400 км, где находится нижняя граница волновода, – «асте­носфера» (рис. 9).

Начиная с глубин 250 – 400 км и 900 км сейсмология земле­трясений указывает на аномально быстрое возрастание скоростей Р-и S-волн с 8,1 и 4,5 км/с до 11,2 и 6,0 км/с соответственно (рис. 9).

Выделение главнейших границ в теле Земли по характеру изменения скоростей распространения упругих волн позволило К. Бул­лену (1956), а затем Б. Гутенбергу (1963) построить модель внутрен­него стро­ения планеты (см. рис. 8). Ниже приведена таблица основных границ и скоростей распространения волн внутри Земли, а также фактора Q, характеризующего затуха­ние волн внутри сферических оболочек.

Установление оболочечного строения Земли принадлежит к выдающимся достижениям классической сейсмологии. Эти данные легли в основу определения законов изменения плотности, давления и ускорения силы тяжести внутри планеты, а вместе с ними позволили подойти к решению фундаментальной проблемы естествознания – установлению состава и природы оболочек Земли.

Таблица II.1