1.2. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Всем известно, как выглядит поверхность Земли, так как мы часто видим карты и рисунки нашей планеты; мы имеем представление о земной поверхности, видя ее ландшафт. Но как выглядит Земля внутри?

Никто не может совершить путешествие к центру нашей планеты, чтобы познакомиться с ее строением, но сейчас мы многое знаем о внутреннем строении Земли благодаря приборам, регистрирующим волны, которые возникают во время землетрясений.

Ежегодно нашу планету сотрясает не менее десятка сильных, разрушительных землетрясений. В процессе самого слабого из таких землетрясений высвобождается энергия в тысячу раз больше, чем при взрыве атомной бомбы. Волны, возникающие в результате толчков, распространяются через толщу Земли; их путь искривляется из-за различных характеристик внутренних слоев Земли. Таким образом, сейсмические волны показывают характер слоев, через которые они проходят. Записав волны с помощью сейсмографов, можно изучать их и на основе этого составить картину внутреннего строения Земли. Фактически, сейсмографы просвечивают Землю как будто рентгеном, хотя иногда они видят ее как бы сквозь затемненное стекло.

До появления науки сейсмологии наши знания о внутреннем строении Земли основывались на гипотезах и догадках. Благодаря достижениям этой науки современные знания о структуре Земли основываются на научных исследованиях. С учетом геологических данных, получаемых в ходе исследования горных пород на поверхности Земли, лабораторных экспериментов с горными породами при высоких давлениях и некоторым астрономическим наблюдениям мы хорошо представляем себе условия в толще Земли, ее слоистую структуру, химический состав, физические характеристики слоев, давление и т.д.

Сейсмические волны

Если бросить камень в воду (например, в пруд), можно наблюдать волны, расходящиеся от точки соприкосновения камня с поверхностью воды; но эти волны также распространяются и в толще воды, расходясь от той же точки. Что-то похожее происходит и во время землетрясения. От очага или места разрыва земной коры расходятся волны упругих колебаний во всех направлениях внутри и по поверхности Земли.

Прохождение сейсмических волн
Прохождение сейсмических волн в толще Земли
Знаете ли Вы?
Рекорд глубины бурения при исследовании земной коры принадлежит бывшему Советскому Союзу; под Мурманском была пробурена скважина глубиной 12 км.

Слышали ли Вы?
На глубине 14 км порода находится под давлением 4000 атмосфер и при температуре 300 градусов Цельсия.

Для большинства землетрясений с глубиной очага не более 70 километров упругие волны возникают в результате разлома участка земной коры. Другими словами, напряжение в горной породе на данном участке превышает предел прочности на разрыв и поэтому в породе образуется трещина, появляется разрыв, который обычно называется "разломом". В результате возникновения этого разлома образуются сейсмические волны.

Разлом можно охарактеризовать как относительное перемещение блоков земной коры, что видно на нижеследующем рисунке.

Как только напряжение превышает величину предела прочности на разрыв горных пород в данном месте (т.е. образуется разлом), возникают сейсмические волны трех основных типов:

  1. Волна сжатия - растяжения, Р-волна. Эта волна представляет собой звуковую волну. Ее еще называют продольной волной. Когда такая волна в стадии сжатия достигает сейсмической станции, порода в зоне станции сжимается, и грузик сейсмографа отклоняется в направлении движения волны или от эпицентра землетрясения. И наоборот, когда такая волна проходит станцию в стадии растяжения, земная поверхность расширяется, и грузик сейсмографа движется по направлению к эпицентру. Эти направления регистрируются сейсмографом. Из всех сейсмических волн продольная волна самая быстрая и поэтому она используется для регистрации первичного толчка Р. Продольные волны, как и звуковые волны, могут распространяться в твердой породе и в жидкости.
  2. Поперечная волна, или волна сдвига, или S-волна. Эта волна аналогична световой волне или поперечным колебаниям струны. Частичка материала всегда перемещается поперечно по отношению к направлению распространения волны. Внутренние поперечные волны распространяются со скоростью, которая составляет примерно 0,6 от скорости продольной волны Р, и появляются позднее в качестве второй наиболее заметной группы волн. Поэтому они используются для регистрации вторичного толчка S. Эти волны не могут распространяться через жидкости и газы.
    Скорость распространения волн Р и S зависит от плотности и упругости горных пород, через которые они проходят. Стандартные скорости распространения волны Р в граните и воде составляют соответственно 5,5 и 1,5 км/с, в то время как скорость S-волны в тех же породах составляет примерно 3,0 и 0 км/с. Последнее значение равно нулю, потому что модуль сдвига жидкостей равен 0.
  3. Поверхностные волны, L-волны. В них заключается большая часть волновой энергии, они называются поверхностными, потому что они распространяются вблизи поверхности Земли.

Есть два типа поверхностных волн. Наиболее быстрая из двух - это волна сдвига, известная как волна Лява (Lq), названная так в честь физика, который разработал ее теоретическую концепцию, или как G-волна, названная в честь сейсмолога Гутенберга, который обнаружил и исследовал наличие этой волны на сейсмограммах. Движение частицы поперечно направлению распространения волны и происходит только в горизонтальной плоскости, как показано на представленных здесь рисунках. В этой волне нет вертикальной составляющей. Вторым типом поверхностной волны является волна Рэлея (Lr), названная так в честь физика, который разработал теоретическую концепцию этой волны. Эта волна прибывает вскоре после поверхностной волны сдвига, так как ее скорость составляет 0,92 от скорости волны сдвига. В волне Рэлея частица грунта совершает возвратное движение по эллиптической орбите в вертикальной плоскости вдоль направления распространения волн, как показано на рисунках.

Распространение сейсмических волн
Распространение сейсмических волн

Слои земли

На основании всех этих знаний Олдем в 1906 году доказал, что Земля имеет центральное ядро, а в 1914 году Бено Гутенберг определил, что верхняя граница ядра находится на расстоянии 2 896 километров от поверхности Земли. Так как радиус Земли составляет 6 370 км, то радиус ядра равен 3 474 км. Благодаря этим и другим исследованиям (Датский сейсмолог Инге Леманн в 1936 г. обнаружила существование твердого внутреннего ядра Земли) было доказано, что Земля состоит из четырех основных слоев или геосфер, как показано на рисунке:

  1. Земная кора. Это верхний слой, на котором мы живем. Он состоит из твердых горных пород. Его глубина варьирует от 5 до 60 километров. В качестве среднего показателя для всей планеты толщина земной коры принята равной 33 км, а среднее значение плотности составляет 2,67 грамм на кубический сантиметр (г/см3). Эта толщина может показаться значительной, хотя в сравнении со средним радиусом Земли кора скорее напоминает скорлупу яйца. Скорости сейсмических волн в земной коре составляют 6,0 - 6,5 км/с для продольной волны Р и 3,5 - 3,7 км/с для S волны.
  2. Мантия. Этот слой простирается от основания земной коры на глубину 2 900 км; поверхность раздела, отделяющая земную кору от нижеследующей мантии, известна как граница или поверхность Мохоровичича (Мохо). Мантия разделена на два участка: верхняя мантия от основания земной коры до глубины 700 км и нижняя мантия от этой глубины до границы ядра. В верхней мантии на глубине в первые 200 км скорость волн постепенно увеличивается, а затем идет уменьшение скорости S-волны. В нижней части верхней мантии на глубинах от 300 до 700 км отмечено резкое увеличение скорости сейсмических волн. В нижней мантии скорости волн Р и S увеличиваются медленнее по мере увеличения глубины.
  3. Внешнее ядро, расположенное на глубине между 2 900 и 5 000 километров, ведет себя как жидкое тело, поэтому 5 волны не проходят через эту зону. (Плотность материала внешнего ядра равна примерно 10,0 г/см3.)
  4. Внутреннее ядро, радиусом 1 200 километров, считается твердым. В нем скорости сейсмических волн возрастают. Через внутреннее ядро (иногда его называют субядром) проходят как волны Р, так и волны S. (Плотность материала внутреннего ядра примерно равна 12,5 г/см3.)
Внутреннее строение Земли
Внутреннее строение Земли

На следующем рисунке показаны скорости распространения сейсмических волн.

Скорости сейсмических волн на различных глубинах
Скорости сейсмических волн на различных глубинах
Знаете ли Вы?
Давление на границе раздела между верхним и внутренним ядром равно 3,3 миллиона атмосфер, что можно сравнить с давлением 3 300 легковых автомобилей, поставленных один на другой, на площадь, равную ногтю мизинца.

Как говорилось ранее, в земной коре, мантии и ядре отмечаются различные скорости распространения сейсмических волн. Концентрическую слоистость Земли можно выразить и в других терминах, связанных с прочностью и вязкостью вещества. В соответствии с этим подходом можно выделить литосферу, астеносферу и мезосферу. Литосфера представляет собой самую верхнюю оболочку Земли (толщиной до 100 км) и включает земную кору и самую верхнюю мантию. Она отличается своей способностью выдерживать большие поверхностные нагрузки без прогибания. Она достаточно холодная и поэтому прочная. Под литосферой (примерно до глубины 700 км) располагается астеносфера ("астенос" по-гречески "мягкий"). Температура астеносферы близка к точке плавления; поэтому астеносфера не такая прочная и со временем деформируется под воздействием прилагаемых сил. Следующий слой называется мезосферой. Мезосфера более прочная, чем астеносфера, но более вязкая, чем литосфера. Мезосфера простирается до ядра и таким образом включает большую часть мантии.

Эти концентрические слои и их соотношение со слоями, о которых говорилось выше, показаны на нижеследующем рисунке.

Внутреннее строение Земли на основании данных о скорости распространения S-волн
Внутреннее строение Земли на основании данных о скорости распространения S-волн

Мантия в основном твердая. Сейсмические волны распространяются со скоростями, которые растут с глубиной, так как плотность увеличивается с 3,3 до 5,5 грамм на кубический сантиметр. Это увеличение плотности происходит дискретно. Строение мантии сложное, в ней различаются структуры с разными характеристиками как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной. Что касается вертикальной плоскости, наиболее важное значение имеет уменьшение скорости распространения S-волны с 4,7 до 4,3 км/с на глубине от 75 до 150 км. Возможно этот слой с низкой скоростью распространения волн представляет зону частичного расплавления вещества в верхней мантии, что может быть источником расплавленной породы или магмы, которая поднимается на поверхность, образуя изверженные магматические или вулканические породы.

содержание
дальше
назад
на главную