Методы изучения внутреннего строения Земли

К методам непосредственных наблюдений относится изучение глубин Земли с помощью горных выработок – шахт, тоннелей и скважин. Их много на Земле, особенно скважин, пробуренных в поисках нефти и газа. Глубина таких скважин не превышает 5 км. Сверхглубоких скважин, которые бурят для изучения верхних частей Земли, уже несколько: на Кольском полуострове, в Азербайджане и в других местах. Глубина сверхглубоких скважин находится в пределах современных технических возможностей и пока не превышает 15 км. А этого очень мало, чтобы судить о строении Земли.

Данные о том, что находится внутри Земли, получают, изучая извержения вулканов и лаву, изливающуюся из недр. Но и здесь, даже если принять глубину очагов некоторых извержений в 100 км, данных оказывается крайне недостаточно.

Геофизические методы, изучая физические параметры Земли – электропроводность и силу тяжести, могут судить о внутреннем состоянии Земли, практически не ограничивая глубины исследования. Геофизические методы пока единственные приносящие научно обоснованные сведения о том, что делается внутри Земли. Особенно много интересных данных было получено при изучении скоростей распространения в Земле упругих колебаний, которые называют сейсмическими волнами. Раздел науки, который изучает эти волны, называется сейсмологией.

Изучение скорости распространения сейсмических волн показало, что с глубиной их скорость изменяется либо скачкообразно (сейсмические разделы 1 порядка), либо постепенно (сейсмические разделы 2 порядка), обнаруживая устойчивую тенденцию увеличиваться к центру Земли.

Волна – это распространение некоторой деформации в упругой среде, т.е. изменение объёма или формы вещества. При деформации в веществе возникает напряжение, которое стремится вернуть его к первоначальной форме или объёму. Выделяют два типа сейсмических волн: объёмные и поверхностные.

Объёмные волны бывают продольными и поперечными (рис.2).

Продольные– это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны. Они обозначаются латинской буквой «Р» (primary – первичный, англ.), так как скорость их распространения выше других волн и они первыми приходят на сейсмоприёмники. Продольная волна изменяет форму тела.

Поперечные волны S (secondary – вторичный, англ.) – это волны сдвига, при которой деформации в веществе происходят поперёк направления движения волны.

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

Рис.2. Типы сейсмических волн. А – объёмные волны: а –продольные, б – поперечные. Б – поверхностные волны: в –Лява, г – Релэя.

Стрелками показано направление движения воды.

Изменение скоростей сейсмических волн на поверхностях разделов может быть связано с изменением плотности вещества или его фазового состояния, или того и другого вместе. Поверхности разделов ограничивают внутри Земли сфероподобные оболочки и её ядро. Такие оболочки получили названия внутреннихгеосфер. К внешнимгеосферам относят биосферу, гидросферу и атмосферу. Рассмотрим сначала внешние геосферы.

Внешние геосферы

Атмосфера –располагается от поверхности Земли на высоту до 1300 км. Главные компоненты, слагающие атмосферу- азот, кислород, аргон, углекислота и пары воды. В небольшом количестве в атмосфере присутствуют газы и имеют большое значение в её жизни. Так, промышленные газы создают ощутимый парниковый эффект, приводящий к разогреву атмосферы за счёт поглощения значительной части инфракрасного излучения поверхности Земли, нагретой Солнцем. Озон, концентрируясь на высоте 10-15 км образует озоновый слой,предохраняющий всё живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Этот слой может быть разрушен вследствие поступления в атмосферу веществ, которые разрушают озон, и, в частности, техногенного фреона.

Атмосфера состоит из нескольких слоёв:

- тропосфера до высоты8 км над полюсом и 17 км над экватором;

- стратосферы до высоты 55 км;

- ионосферы, в которой разряжённый воздух ионизирован ультрафиолетовым излучением Солнца и способен проводить электрический ток.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, включает воду морей и океанов, рек, озёр, болот, а также льды ледников. К гидросфере следует отнести и подземные воды.

Биосфераобразует зону на границе атмосферы и литосферы, которая включает и гидросферу, и характеризуется тем, что в ней есть органическая жизнь. Органическая жизнь в биосфере распространена практически везде, но больше всего её в морях и океанах. Большая роль в изучении биосферы принадлежит В.И. Вернадскому.