2. Внутреннее строение земли

2.1. Сейсмичность Земли

Сейсмология – раздел геофизики, посвященный изучению проблем, связанных с возникновением и распространением упругих колебаний (сейсмических волн) естественного происхождения в теле Земли. Сейсморазведка – геофизический метод изучения строения земной коры с использованием искусственно возбужденных сейсмических волн. Сейсморазведка – раздел прикладной (разведочной) геофизики, которая решает задачи поиска и разведки месторождений полезных ископаемых.

Сейсмичность Земли – это географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной коры и их распределение по энергиям.

Типичная глубина очага землетрясения порядка 70-300 км, хотя случаются и более глубокофокусные землетрясения. Землетрясение может произойти практически в любой точке планеты, однако основная часть сильных землетрясений приурочена к Тихоокеанскому поясу (около 75%) и к Альпийскому поясу (Индонезия – Гималаи – Средиземноморье). Лишь чуть более 2% сильных землетрясений приходится на остальные участки земной поверхности.

Физической характеристикой землетрясения является магнитуда М (введена Чарльзом Рихтером), которая определяется по амплитуде смещения почвы с учетом эпицентрального расстояния, т.е. центрального угла α между радиус-векторами, проведенными из центра Земли в очаг землетрясения и в точку местонахождения сейсмической станции. Магнитуда конкретного землетрясения вычисляется сейсмологами по результатам обработки наблюдений многими сейсмическими станциями.

Не путать магнитуду с 12-тибальной шкалой интенсивности землетрясения (ее тоже приписывают Рихтеру, по моему мнению, ошибочно). 12-тибальная шкала – это характеристика интенсивности землетрясения в данном населенном месте. Это качественная характеристика.

Магнитуда же определяет энергию Е, которая выделяется в теле Земли при землетрясении. Эмпирическое уравнение связи (Маркус Ботт) имеет вид:

lg E = 5,24 + 1,44 M (Дж).

Инструментальные наблюдения и вычисления магнитуды имеют начало с 1903 г. Зарегистрированные с того времени землетрясения имели магнитуды М от 0 до 8,9 (Чили, 1960; Аляска, 1964). Соответствующие пределы изменения высвобожденной энергии от 1,7 10⁵ до 1,6 10¹⁸ Дж.

Наибольшее число жертв приносят землетрясения в густо населенных центральных провинциях Китая. По некоторым оценкам число жертв землетрясения 1976 г. в Китае с магнитудой около 8 составило порядка 600 000.

Энергия катастрофических землетрясений огромна. Сравнима со взрывом мегатонных бомб, с годовым потреблением энергии большого города. На рисунке представлены среднегодовые значения выделившейся в теле Земли энергии землетрясений в период с 1903 по 2013 год.

2.2. Внутреннее строение Земли по сейсмическим данным

Только сильные землетрясения способны возбудить в недрах Земли упругие волны, которые могут пронизывать нашу планету насквозь. Известно, что имеют место два типа упругих волн: продольные и поперечные. Скорости их распространения их различны:

Здесь K – модуль всестороннего (объемного) сжатия,  – модуль сдвига, ρ – плотность. В твердом теле оба модуля отличны от нуля, в жидких и газообразных  = 0, поэтому в них поперечные волны отсутствуют. Скорости продольных волн в твердом теле приблизительно в 1,7 раза больше скорости поперечных. Поэтому «P» – primary, «S» – secondary.

Сейсмическим годографом называется зависимость времени прихода сейсмической волны от эпицентрального расстояния (угла) α, т.е. функция  = (α). Если бы скорости упругих волн в Земле были бы постоянны, имела бы место такая картина:

Однако в реальности все обстоит гораздо сложнее. Годографы – это эмпирически определяемые функции, из которых посредством достаточно сложных вычислений (решением интегральных уравнений) получают зависимости скоростей продольных и поперечных волн от глубины.

Систематические инструментальные наблюдения сейсмических волн начались с начала XX в. Одним из отцов-основателей сейсмологии был русский геофизик Борис Б. Голицын (1862-1916), который изобрел простой и надежный маятниковый сейсмограф. Открытия следовали одно за другим. В 1909 г. югославский сейсмолог Мохоровичич обнаружил границу раздела земной коры и мантии (граница Мохо). Было установлено, что эта граница залегает на глубинах в несколько км под океанами и на глубинах в десятки км под континентами. В 1914 г. немецкий сейсмолог Гутенберг открыл сейсмическую границу на глубине около 2900 км. Это оказалась граница между мантией и земным жидким ядром. В 1936 г. датчанка Леман открыла внутреннее твердое субъядро.

Основываясь на этих открытиях, а также на других многочисленных данных, в 1936 г. независимо друг от друга Гуттенберг и англичанин Джеффрис представили почти совпадающие кривые зависимости скоростей сейсмических волн от глубины. Эта модель носит название классической модели Гутенберга-Джеффриса. В ней не учитываются горизонтальные неоднородности внутреннего строения Земли, не делается различия между строением океанической и континентальной корой.

Расчетные таблицы, в которых в зависимости от глубины (или от расстояния от центра Земли) представлены физические характеристики земных недр (плотность, давление, ускорение силы тяжести и упругие константы) называются моделями Земли. В настоящее время они достаточно детализированы и существует несколько моделей, учитывающих ряд тех или иных дополнительных факторов. В частности, учитывается то обстоятельство, что Земля обладает двумя сильно различающимися типами земной коры: континентальной и океанической.

Ниже представлена упрощенная и сокращенная модель Земли.

	Зоны	Глубина, км	Плотность, г/см^3	Давление, кбар	g, см/с^2
Верхняя мантия	A	0 21	2,79 2,79	0 5	981 983
	B	21 371	3.30 3,54	5 123	983 996
	C	371 871	3,54 4,50	123 327	996 998
Нижняя мантия	D	871 2886	4,50 5,58	327 1354	998 1068
Внешнее ядро	E	2886 4980	9,90 12,04	1354 3180	1068 482
Переход. зона	F	4980 5156	12,04 12,11	3180 3281	482 423
Внутрен. ядро	G	5156 6371	12,28 12,58	3281 3609	423 0

1 бар  1 атм  10⁵ Н/м².

Обозначения слоев (А, В и т. д.) были предложены австралийским геофизиком Булленом.

Имеются все основания полагать, что глубже 400 км недра Земли практически однородны по своему составу. Минералогический же состав зон А и В под океанами и континентами существенно отличается. Во-первых, океаническая кора имеет мощность в среднем около 5 км, в то время как мощность континентальной коры достигает 70 км. В зоне В на глубинах примерно от 70 км до 270 км существует зона пониженной вязкости – астеносфера, в которой вещество находится в состоянии, близком к расплавлению. По астеносфере «плавает» литосфера, верхи которой – это земная кора, а низы – верхняя часть мантии. Литосфера сильно неоднородна по горизонтали, имеет блочное строение и эти блоки (плиты) со скоростями порядка см/год перемещаются относительно друг друга.

Относительно минералогического состава верхней мантии судят по составу молодых изверженных пород (вулканы, глубинные разломы, океанические рифты и т.д.). Эти данные свидетельствуют о преимущественно силикатном составе верхней мантии.

Сидери́ческий пери́од обраще́ния )— промежуток времени, в течение которого какое-либо небесное тело-спутник совершает вокруг главного тела полный оборот относительно звёзд.

Эксцентриситет орбиты – параметр, характеризующий форму орбиты, которую можно представить одним из конических сечений (круг, эллипс, парабола, гипербола); обозначается латинской буквой e; выражается через отношение большой (a) и малой (b) полуосей орбиты: e²=1-b²/a². При e=0 орбита круговая, при 0<e<1 - эллиптическая, при e=1 параболическая, а при e>1 - гиперболическая.

Эклиптика - воображаемая плоскость, в которой лежит орбита движения Земли вокруг Солнца

Светимость - физическая характеристика тела (звезды), указывающая какое количество энергии оно теряет за единицу времени. Мощность измеряется в ваттах (1 Вт = 1 Дж/с = 10⁷ эрг/с).

Солнечная постоянная, количество лучистой энергии Солнца, поступающей за 1 мин на 1 см³ площади, перпендикулярной к солнечным лучам и находящейся вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца.

Метеори́т — тело космического происхождения, упавшее на поверхность крупного небесного объекта.

Метео́р (др.-греч. μετέωρος, «небесный»), «падающая звезда» — явление, возникающее при сгорании в атмосфере Земли мелких метеорных тел (например, осколков комет или астероидов).

13