Слоистая
Земля
Как мы узнаем о строении Земли
Почти все сведения о том, как
устроена Земля в её глубинных слоях, получены с помощью сейсмографов –
приборов, регистрирующих вызванные землетрясениями колебания грунта. Изучая и сравнивая
показания сейсмографов в различных точках земной поверхности, можно определить
скорость распространения упругих волн на разной глубине.
На сейсмограф поступают волны
двух типов: поверхностные и объёмные. Естественно, информацию о глубоких слоях
могут дать только объёмные волны, которые, в свою очередь, разделяются на продольные (растяжение-сжатие) и поперечные (сдвиговые).
/* В механике деформируемого
твёрдого тела поведение под нагрузкой изотропных
упругих тел характеризуется двумя
коффициентами – модулем всестороннего сжатия и модулем сдвига. Первый из
них определяет способность тела сопротивляться изменению объёма под действием
гидростатического (одинакового со всех сторон) давления, а второй – искажению
формы, выражающемуся в изменении прямых углов, при сдвиге. Скорость поперечных волн в какой-либо точке зависит только от
отношения модуля сдвига находящихся
в этой точке пород к их плотности, а скорость
продольных волн также и от отношения модуля
всестороннего сжатия к плотности.*/
Основные слои
Если упругая волна встречает
поверхность, на которой происходит резкое изменение её скорости, направление
распространения волны изменяется (происходит преломление), а, кроме того,
возникает отражённая волна. Наличие такой границы на глубине несколько десятков
километров под поверхностью обнаружил в 1909 году хорватский геолог Мохоровичич
(Mohorovičić), наблюдая за распространением упругих волн во время
землятрясения. Эту поверхность, на которой скорость распространения как
продольных, так и поперечных волн, заметно увеличивается, назвали в его честь «разрывом Мохоровичича»
(англоязычные учёные, для которых такая фамилия непроизносима, предпочитают
использовать более краткое наименование «Мохо»). Слой Земли, лежащий выше Мохо
и состоящий из пород, менее упругих и более лёгких, называется земной
корой, а нижележащий, с несколько более плотными и значительно более
упругими породами – мантией.
По имеющимся в настоящее время данным толщина
континентальной коры составляет 15-75 км, тогда как под океанами кора
значительно тоньше (5-10 км).
Рисунок: основные слои (кора, мантия, ядро, наружное и внутреннее ядро,
астеносфера, литосфера)
В начале 30-х годов ХХ века, когда были созданы
более чувствительные сейсмографы, американским учёным германского
происхождения Гутенбергом (Gutenberg) была обнаружена граница другого типа. Гутенберг заметил, что на
глубине ниже примерно 2900 км (радиус около 3500 км) имеется «зона тени» – скорость
продольных волн существенно уменьшается, а поперечные волны вообще перестают
проходить – модуль сдвига в этой области равен нулю или очень мал. Равенство
нулю модуля сдвига является, как известно, главной отличительной чертой
жидкости. Таким образом, Гутенберг установил, что в «зоне тени» (позднее эта
область стала называться земным ядром) составляющие породы
находятся в жидком состоянии. Было ясно также, что породы, составляющие ядро,
существенно отличаются по своему составу от мантии. Граница между мантией и
ядром, как нетрудно догадаться, получила название «разрыва Гутенберга». В 1936
году было выяснено, что не всё ядро является жидким – на радиусе около 1220 км
и ниже скорость поперечных волн снова отлична от нуля. Эта внутренняя твёрдая
часть ядра стала называться субъядром или внутренним ядром.
Несколько позднее тот же
Гутенберг выяснил, что мантия по своим свойствам также заметно неоднородна. В
её верхней части, на радиусах примерно от 6000 км до 6250-6300 км скорости
продольных и, особенно, поперечных волн заметно меньше, чем в вышележащих и
нижележащих слоях, т.е. модуль сдвига в этом «ослабленном» слое значительно
меньше, чем в соседних слоях, хотя и не равен нулю. Позднее эту часть мантии
стали называть слоем Гутенберга или астеносферой (по-гречески
«ослабленная сфера»). Такую аномалию объясняют тем, что при имеющемся в
астеносфере сочетании температуры и давления примерно 10 % вещества в ней
находится в расплавленном состоянии.
Лежащую выше астеносферы
«нерасслабленную» часть мантии вместе с корой называют литосферой – «каменной»
или твёрдой оболочкой. Толщина литосферы может измеряться несколькими способами,
приводящими к сильно отличающимся результатам. Наибольшую толщину литосферы –
около 70-100 км для океанических регионов и до 200-250 км для континентальных –
дают сейсмические измерения. И значительно меньшей – не более нескольких
десятков километров под океанами и около 120-200 км под континентальными щитами
– оказывается толщина литосферы, определяемая по реакции на длительную (порядка
тысяч и десятков тысяч лет) механическую нагрузку.
По данным БСЭ:
Температура:
Непосредственно под корой – 600-700 ºС
В астеносфере – 1500-1800 ºС
Вязкость материала мантии:
В литосфере – не менее 1022 Па∙с
В астеносфере – 1018-1020 Па∙с
Дата последнего обновления: 06.01.08
