Строение Земли. Модель Буллена

 

 

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 Р и S на эпицентральных расстояниях в 105° (11 тыс. км) и наличием зоны тени между 105 и 142°.

Волна Р появляется 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 Р и 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 Р волн 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 . 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».

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).

Рис. 9. Изменение скоростей для волн Р и S внутри Земли: I - мантия; II - внешнее ядро; III - внутреннее ядро  

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).

 

 

 

 

 

Рис.8 Внутреннее строение Земли. Заштрихованы области внешнего ядра и астеносферы: А - земная кора; ВС - верхняя мантия; D - оболочка; Е - верхнее (жидкое) ядро; F - переходная зона; G - внутреннее ядро

Ниже приведена таблица основных границ и скоростей распространения волн внутри Земли, а также фактора Q, характеризующего затухание волн внутри сферических оболочек.

 

Слой	Глубина, км	Скорость волн, км/с		Q
		P	S
A	0-33	6,75	3,8	450
B	33-400	8,06-9,64	4,5	60
C	400-900	11,4	7,18	150-550
D	400-900	13,60	7,18	2000
E	2900-5000	7,50-10,0	0	4000
F	5000-5100	10,26	0	4000
G	5100-6371	11,28	3,6	400

Положение границ, скорости распространения и затухания сейсмических волн

 

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.

 

 

 

 

 

Заключение

Прямое исследование земных глубин пока что невозможно: самые глубокие скважины едва достигают десятикилометровой отметки. В последние годы в ряде стран, чтобы лучше познать внутреннее строение Земли, бурят сверхглубокие скважины. В России на Кольском полуострове пробурена одна из самых глубоких скважин мира. Ее глубина 11000 м. Однако, сейсмология дала ключ к внутреннему строению Земли. Дело в том, что скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругости горных пород, через которые они проходят. Они отражаются и преломляются на границах между различными пластами. По сейсмограммам было установлено строение земной литосферы.

Существует много остроумных и интересных методов изучения нашей планеты, но основная информация о ее внутреннем строении получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах. Каждый час в различных точках Земли регистрируется около 10 колебаний земной поверхности. При этом возникают сейсмические волны двух типов: продольные и поперечные. В твердом веществе могут распространиться оба типа волн, а вот в жидкостях - только продольные. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару. Наблюдения скорости, с которой волны проходят сквозь 3емлю, позволяют геофизикам определить плотность и твёрдость пород на глубинах, недоступных прямым исследованиям. Сопоставление плотностей, известных по сейсмическим данным и полученным в ходе лабораторных экспериментов с горными породами (где моделируются температура и давление, соответствующие определенной глубине 3емли), позволяет сделать вывод о вещественном составе земных недр. Новейшие данные геофизики и эксперименты, связанные с исследованием структурных превращений минералов, позволили смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли.

Модель внутреннего строения планеты, построенная   К. Булленом на основе сейсмологии землетрясений, указывающих на аномально быстрое возрастание скоростей Р- и S-волн и соответственных выделений главнейших границ в теле Земли по характеру изменения скоростей распространения упругих волн, дала человечеству представление о составе и природе  оболочек Земли.

Исследование, а затем и использование глубоких недр собственной планеты - программа, которая уже стучится в дверь научного прогресса.

 

Литература

 

1. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. – М, 1983.

2. Буллен  К. Введение в теоретическую сейсмологию. - М., 1966.

3. Джеффрис  Г. Земля, ее происхождение, история  и строение. – М., 1999.

4. Жарков  В.Н. Внутреннее строение Земли  и планет. - М.,1983.

5. Магницкий  В.А. Внутреннее строение и физика  Земли. – М., 2002.

6. Пузырев  Н.Н. Методы и объекты сейсмических  исследований. - Новосибирск, 1997.

7. Саваренский  Е.Ф. Сейсмические волны. - М., 2003.

8. http://shools-geograf.at.ua

9. www.allbest.ru