Общая Геология 2

Рис. 2.2.4. Происхождение продольных (Р) и поперечных (S) волн через Землю. Поперечные волны не проходят через жидкое внешнее ядро, а у продольных есть «зона тени» в 35°, так как в жидком ядре волны преломляются

Сейсмограммы фиксируют время пробега внутри Земли сейсмических волн. А нам необходимо знать скорость волн. Для этого решается обратная задача на основе системы уравнений, полученных Адамсоном и Вильямсом в . Сейсмические методы непрерывно совершенствуются и по современным данным внутренняя структура Земли выглядит следующим образом.

Земная кора ограничивается снизу очень четкой поверхностью скачка скоростей волн Р и S, впервые установленной югославским геофизиком А.Мохоровичечем в 1909 г. и получившей его имя: поверхность Мохоровичича, или Мохо, или, совсем кратко, поверхность М (рис.2.2.5).

Рис. 2.2.5. Скорости сейсмических волн и плотность внутри Земли. Сейсмические волны: 1 – продольные, 2 – поперечные, 3 – плотность

Вторая глобальная сейсмическая граница раздела находится на глубине 2900 км и была выделена в 1913 г. немецким геофизиком Бено Гутенбергом и также получила его имя. Эта поверхность отделяет мантию Земли от ядра. Примечательно, что ниже этой границы волны Р резко замедляются, теряя 40% своей скорости, а волны S исчезают, не проходя ниже. Т.к. для поперечной волны скорость определяется как модуль сдвига, деленный на плотность, а модуль сдвига в жидкости равен нулю, то и вещество, слагающее внешнюю часть ядра должно обладать свойствами жидкости.

На глубине 5120 км снова происходит скачкообразное увеличение скорости волн Р, а путем применения особого метода показано, что там появляются и волны S, т.е. эта часть ядра - твердая.

Таким образом, внутри Земли устанавливается 3 глобальные сейсмические границы, разделяющие земную кору и мантию (граница М), мантию и внешнее ядро (граница Гутенберга), внешнее и внутреннее ядро.

Однако, на самом деле границ, на которых происходит скачкообразное изменение скорости волн Р и S больше и сами границы характеризуются некоторой переходной областью Уже давно сейсмолог К.Буллен, разделив внутреннюю часть Земли на ряд оболочек дал им буквенные обозначения (рис. 2.2.6 ). В последние годы была установлена еще одна глобальная сейсмическая граница на глубине 670 км, отделяющая верхнюю мантию от нижней и являющаяся очень важной для понимания процессов, идущих в верхних оболочках Земли.

Ниже поверхности М, скорости сейсмических волн увеличиваются, но на некотором уровне, различном по глубине под океанами и материками, вновь уменьшаются, хотя и незначительно, причем скорость поперечных волн уменьшается

больше. В это слое отмечено и повышение электропроводности, что свидетельствует о состоянии вещества, отличающегося от выше и нижележащих слоев верхней мантии. Особенности этого слоя, получившего название астеносфера (“астенос” - слабый, мягкий, древн.греч.), объясняются возможным его плавлением в пределах 1-2%, что обеспечивает понижение вязкости и увеличение электропроводности. Плавление проявляется в виде очень тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при Т порядка +1200 ° С.

Рис. 2.2.6. Внутреннее строение Земли. I – литосфера, II – верхняя мантия, III – нижняя мантия (пунктиром показаны уровни второстепенных разделов), IV – внешнее ядро, V – внутреннее ядро: 1 – земная кора; 2 – астеносфера; 3-4 - переходные слои. Цифры слева – доля геосфер (в % от объема Земли), буквы слева – геосферы по К.Буллену

Астеносферный слой расположен ближе всего к поверхности под океанами, от 1020 км до 80-200 км, и глубже, от 80 до 400 км под континентами, причем залегание астеносферы глубже под более древними геологическими структурами, например, под докембрийскими платформами, чем под молодыми. Мощность астеносферного слоя, как и его глубина сильно изменяются в горизонтальном и вертикальном направлениях. В современных геотектонических представлениях астеносферному слою отводится роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие слои мантии и коры.

Земная кора и часть верхней мантии над астеносферой носит название литосфера (“литос” - камень, греч.). Литосфера холодная, поэтому она жесткая и может выдержать большие нагрузки. На глубине в 1000 км в нижней мантии скорость волн Р достигает 11,2- 11,5 км/с, а Vs = 7,2-7,3 км/с. На границе нижней мантии и внешнего ядра Vр уменьшается с 13,6 км/с до 8,1 км/с, затем снова возрастает до 10,5 км/с, но в переходном слое F от внешнего ядра к внутреннему, снова падает и опять возрастает во внутреннем, твердом ядре до 11,2-11,3 км/с, не достигая однако, скорости низов мантии.

Плотность Земли - это важный параметр, который косвенно помогает оценить сейсмические границы раздела внутри Земного шара. Известно, что средняя плотность горных пород на поверхности равна 2,7-2,8 кг/м3. В тоже время средняя плотность Земли 5,51 кг/м3. Она вычислена на основании периода свободных колебаний Земли, момента ее инерции и общей массы, равной 5,976 1027 г. Расчетные данные показывают, что плотность возрастает с глубиной и также, как скорость сейсмических волн, скачкообразно. Верхи мантии, сразу под границей М характеризуются плотностью уже в 3,3-3,4 кг/м3, т.е. наблюдается резкий скачок. Особенно сильный скачок плотности от 5,5 кг/м3 в низах мантии до 10-11,5 кг/м3 во внешнем ядре, совпадает с границей Гутенберга, при этом внешнее ядро обладает свойствами жидкости. Величина плотности во внутреннем ядре остается предметом догадок, но должна быть от 12,5 до 14,0 кг/м3

(рис.2.2.7 ).

Таким образом, изменение и нарастание плотности в целом совпадает с главными сейсмическими разделами в Земле. Заметим, что доля коры в общем объеме Земли равна 1,5%, мантии -82,3%, а ядра -16,2%. Отсюда ясно, что средняя плотность в 5,5 кг/м3 должна обеспечиваться умеренно плотной мантией и очень плотным ядром, в котором находится 32% массы Земли ( а по объему ~16%).

Давление внутри Земли рассчитывается исходя из той плотности, которая получается при интерпретации сейсмических границ. При этом предполагается, что Земля как планета находится в состоянии гидростатического равновесия. Давление нарастает постепенно, составляя в Мпа на подошве коры, границы М - 1·10 3, на границе мантия - ядро137· 103, внешнего и внутреннего ядра 312 · 103 и в центре Земли - 361 · 103

(рис.2.2.7).

Ускорение силы тяжести, как известно, на уровне океана, на широте 45° составляет 9,81 м/с2 или 981 гала, а в центре Земли равняется 0. У границы мантии и ядра величина ускорения силы тяжести достигает максимального значения в 10,37 м/с2 и с этого уровня начинает быстро падать, получая значение на границе внешнего и внутреннего ядра в 4,52 м/с2. Земля обладает внешним гравитационным полем, отражающим распределение в ней масс. Величина силы тяжести зависит от расстояния до центра Земли и от плотности пород (рис.2.2.7).

Рис. 2.2.7. Изменение ускорения силы тяжести (1), давления (2) и плотности (3) внутри Земли

Для геологов очень важно знать закономерности размещения плотностных неоднородностей в земной коре, что позволяют сделать гравитационные аномалии - отклонения от общего внешнего гравитационного поля. Сила гравитации будет, естественно, больше над более плотными массами. Современные приборы позволяют измерять силу тяжести с большой точностью, вплоть до 10 -8, что равно изменению расстояния от поверхности Земли всего на 4 см. Более подробно о гравитационном поле будет рассказано в других главах.

Приведем пример обратной задачи – определение плотности Земли по ускорению силы тяжести.

Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном более 300 лет тому назад, утверждает, что две точечные массы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Суммарная сила тяготения точечных масс, которыми набита Земля, действует на точечные массы любого тела на поверхности Земли. Из соображений симметрии, сила тяготения со стороны земли равна действию одной точечной массы, расположенной в центре Земли, масса которой равна сумме масс всех точек внутри Земли. Этот результат – есть решение обратной задачи. Записывая закон Ньютона:

F = r m M/R2

Где r – гравитационная постоянная, определяемая экспериментально (опыты Кавэндиша, 1788), М – масса Земли, R – ее радиус, мы можем рассчитать силу, с которой любая масса м притягивается к Земле.

Радиус земли был измерен очень давно по измерению длины дуги на поверхности и углу между концами дуги, исходя из параллельности солнечных лучей – Эратосфен сделал это 2500 лет тому назад – тоже решив обратную задачу.

Поскольку сила притяжения к Земле есть вес:

F = m g = r m M/R2 откуда G = r M/R2

В свою очередь, масса Земли равна объему сферы радиуса R, умноженному на плотность d:

M = d (4/3) pi R3

Тогда ускорение силы тяжести на поверхности Земли равно: G = r (4/3) pi R d

Осталось совсем немного – определить плотность вещества Земли. На поверхности плотность пород измерена – она равна 2670 кг/м3. Но этой плотности, если она равна плотности вещества земли, не хватает, чтобы создать ускорение силы тяжести, равное, как известно, 9,81 с/сек2. Для этого нужна плотность 5,51 кг/ м3. Стало быть, плотность внутри Земного шара растет по мере удаления от поверхности к центру Земли. По какому закону изменяется плотность внутри Земли, нам неизвестно. Из измерений силы тяжести на поверхности этого узнать нельзя.

Механические свойства вещества Земли на всех уровнях важна для понимания геодинамических процессов. Литосфера, т.е. земная кора и часть верхней мантии до глубин примерно в 200 км ведет себя в целом как более хрупкая, чем нижняя (гранулитобазитовый слой). Жесткость литосферы оценивается в 1024 Нм и она обладает неоднородностью в горизонтальном направлении. Именно в литосфере, особенно в ее верхней части образуются разломы.

Астеносфера, подстилающая литосферу, также обладает неоднородностью в горизонтальном направлении и изменчивой мощностью. Пониженные скорости сейсмических волн в астеносфере хорошо объясняется плавлением всего лишь 2-3% вещества. Астеносферный слой по современным представлениям играет важнейшую роль в тектонической и магматической активности литосферных плит и обеспечивает их изостатическое равновесие, несмотря на то. Что сам слой может быть прерывистым, например, отсутствуя под древними докембрийскими платформами.

Располагающаяся ниже астеносферного слоя мантия, особенно нижняя, глубже 670 км, обладает вязкостью около 1021 м2/с. Эта очень высокая вязкость, тем не менее, не является непреодолимым препятствием для медленных конвективных перемещениях мантийного вещества, что подтверждается так называемой сейсмической томографией, позволяющей «увидеть» очень незначительные плотностные неоднородности в мантии. Глубже 700 км в мантии не зафиксировано очагов землетрясений, что свидетельствует о невозможности возникновения сколов.

Выше говорилось о модели строения Земли К.Е.Буллена, созданной в 1959-1969 гг. В последнее время используется более новая, уточненная модель, называемая PREM (Prelimerary Reference Earth Model), характеризуемая «нормальным», т.е. усредненным распределением с глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей распространения сейсмических волн.

Сейсмическая томография базируется на измерении скоростей объемных и поверхностных сейсмических волн, распространение которых направлено таким образом, чтобы «просветить» какое-то непрозрачное тело, например, массив горных пород, который нельзя наблюдать непосредственно. Имея модель PREM с ее расчетными скоростями сейсмических волн, при обработке огромного количества данных, полученных в результате изучения землетрясений, которая стала возможной только после появления особо быстродействующих ЭВМ, геофизики получают отклонение реальных сейсмических волн по сравнению со стандартной моделью, которое составляет максимум первые проценты, обычно меньше. Увеличение скоростей волн свидетельствует об увеличении плотности вещества и наоборот. Таким образом, выявляются латеральные неоднородности в мантии, впервые продемонстрированные американскими геофизиками Д.Л.Андерсоном и А.М.Дзевонским еще в начале 80-х годов ХХ в. Более плотные, т.е. холодные и менее плотные, т.е. более нагретые участки мантии образуют очень сложную картину, в целом подтверждающие тектонику литосферных плит, т.к. в активных континентальных окраинах хорошо видны погружающиеся под более легкую континентальную кору, холодные и более плотные пластины коры океанической.

Сейсмотомография позволила установить в самых низах мантии примечательный слой D′′ (англ. «Ди – даблпрайм» или «D дважды прим», русск.), верхняя граница которого неровная, мощность изменяется в горизонтальном направлении и это слой может быть даже частично расплавлен (рис.2.2.8). В верхах нижней мантии обнаружен слой также с пониженной вязкостью, как и астеносферный и, т.о., в мантии устанавливается 3 слоя с пониженной вязкостью.

Сейсмотомография дала очень много для выявления неоднородностей в строении мантии Земли.

Рис. 2.2.8. Рельеф земного ядра по данным сейсмической томографии Земли (изолинии проведены через 2 км)

2.3. Химический и минеральный состав недр Земли.

Определение химического и минерального состава геосфер Земли представляет собой очень сложную задачу, которая во многом может быть решена лишь весьма приблизительно, основываясь на косвенных данных. Прямые определения возможны только в пределах земной коры, горные породы которой неоднородны по своему составу и сильно различаются в разных местах.

Средний химический состав горных пород земной коры приведен в таблице 2 по данным А.А.Ярошевского, где четко видна разница в составе между континентальной и океанической корой, которая носит принципиальный характер. Верхний слой континентальной коры состоит из гранитов и метаморфических пород, которые обнажаются на кристаллических щитах древних платформ. Нижний слой коры практически нигде не вскрыт, но в его составе должны преобладать основные породы – базиты, как магматические, так и метаморфические. Об этом свидетельствуют геофизические и экспериментальные данные. Тем не менее, приведенный выше средний состав земной коры, может быть отнесен только к верхней части земной коры, тогда как состав нижней коры все еще остается областью догадок.

Горные породы, слагающие континентальную кору, несмотря на свое разнообразие, представлены несколькими главными типами. Среди осадочных пород преобладают песчаники и глинистые сланцы ( до 80%), среди метаморфических – гнейсы и кристаллические сланцы, а среди магматических – граниты и базальты. Следует подчеркнуть, что средние составы песчаников и глинистых сланцев близки к средним составам гранитов и базальтов, что свидетельствует о происхождении первых за счет выветривания и разрушения вторых.

В океанической коре по массе абсолютно преобладают базальты (около 98%), в то время как осадочные породы самого верхнего слоя имеют очень небольшую мощность. Самыми распространенными минералами земной коры являются полевые шпаты, кварц, слюды, глинистые минералы, образовавшиеся за счет выветривания полевых шпатов. Подчиненное значение имеют пироксены и роговые обманки.

Состав верхней и нижней мантии может быть определен только предположительно, основываясь на геофизических и экспериментальных данных. Верхняя мантия, ниже границы Мохоровичича с наибольшей долей вероятности сложена ультраосновными породами, обогащенными Fe и Мg, но в тоже время обеденными кремнеземом. Не исключено, что среди пород верхней мантии много эклогитов, которые образуются при высоких давлениях, о чем свидетельствует появление в них минерала граната, устойчивого при том давлении, которое существует в верхней мантии.

Таблица 3.

Корреляция минеральных преобразований в мантии, уровней глобальных сейсмических разделов (подчеркнуты) и предложенных границ глубинных геосфер, основанных на данных сейсмической томографии

(по Д.Ю.Пущаровскому)1

Глубина,	Минеральные преобразования								Границы сфер
в км
140	Структурная перестройка оливина α - (Mg, Fe2) SiO4 в									Верхняя часть
	вадслеит β - (Mg, Fe)2SiO4
									мантия
520	Структурная перестройка вадслеита в рингвуд -							γ-
	модификацию (Mg, Fe2) SiO4 со структурой шпинели								Верхняя
400-600	меджорит Mg3	( Fe, Al, Si)2		Si3O12		в гранат-				часть
	Трансформация пироксена (Mg, Fe) SiO3									Нижняя
670	Шпинелеподобный		рингвудит		трансформируется			в
	ассоциацию (Mg, Fe) перовскита и Mg-вюстита
850-900	Пироп Mg3 Al2 Si3		O12 → в ромбический перовскит
	(Mg, Fe) SiO3	↓→ в твердый раствор корунд-
	ильменита Al2O3								мантия
1200	Перестройка	SiO2	со	структурой		стишовита		в
	структурный тип CaCl2 (ромбический аналог рутила
	TiO2)
1700	Изменение	характера		межатомных			связей
	(металлизация) вюстита FeO
2000	SiO2 со труктурой CaCl2 переходит в фазу со структрой,
	промежуточной между α - PbO2 и ZrO2; происходит								Нижняя
	распад перовскитоподобного				MgSiO3;		изменение
	электронной структуры атомов Fe(HS→LS) в структуре
	вюстита FeO; образование FeO со структурой типа
	никелина NiAs
220-2300	Трансформация Al2O3 со структурой корунда в фазу с
	ромбической структурой Rh2O3 (II)
									Внешнее ядро

1 В связи с негомогенностью мантии, таблицу следует рассматривать в известной мере как модельную