Внутреннее строение Земли_лб_1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Цель работы: ознакомление с существующими моделями внутреннего строения Земли. История их создания и физические основы их построения.

В науке при рассмотрении сложных объектов используют модели, т.е. наглядные картины строения изучаемого объекта. При их построении учитывают всю известную на данный момент информацию. По мере развития науки, модели становятся все более детализированными и сложными, всё более приближаются к изучаемому объекту, то есть становятся всё более и более реальными. Под моделью внутреннего строения Земли

понимают разрез планеты, на котором показано изменение с глубиной таких важных параметров, как плотность, давление, ускорение силы тяжести, скорости сейсмических волн, температуры, электропроводности и др. В дальнейшем, при анализе внутреннего строения Земли мы будем использовать, главным образом, изменение скорости сейсмических волн и плотности геосреды.

Одной из первых и простейших моделей нашей планеты является о д н о р о д н а я модель. Она исходит из того, что плотность земных недр с глубиной практически не меняется, т.е. ρ = 5,52 г/см3, что соответствует средней плотности Земли. В соответствии с однородной моделью ускорение силы тяжести должно изменяться по линейному закону, уменьшаясь от своего максимального значения на поверхности до нуля в центре. Давление же должно возрастать от нуля на поверхности до максимальных значений в центре (1,73·106 бар) по квадратичному закону. На самом деле ускорение силы тяжести спадает значительно слабее, а давление нарастает сильнее и достигает в центре планеты значений до 3,6·106 бар. Все это говорит о том, что в реальной Земле имеется существенная концентрация массы к центру, а сама однородная модель не является удовлетворительным приближением к истине. Однако в начальные периоды своего развития Земля была не дифференцированной планетой, и однородная модель более подходила к пониманию её внутреннего строения. С известной оговоркой однородную модель можно использовать для описания внутреннего строения Луны, у которой практически отсутствует ядро.

Р е а л ь н ы е модели внутреннего строения Земли используют всю имеющуюся на момент составления геолого-геофизическую информацию. Первый шаг на пути построения реальных моделей сделали американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 г. Для понимания внутреннего строения Земли они предложили ввести сейсмический параметр (Ф). Он использовался для определения изменения плотности с глубиной, и

понимался как Ф k где k - модуль сжатия, а ρ - плотность.

Модуль сжатия можно определить как произведение плотности (ρ) на отношение приложенного к телу приращения давления (ΔР) к соответствующему приращению

плотности (Δρ), т.е. k .

Используя сейсмический параметр можно определить закон, по которому происходит приращение плотности с глубиной при небольших приращениях давления: Ф1 .

(Справка: 1 бар = 106 дин/см3 = 105 Н/м3 = 105 Па.)

Для решения задачи необходимо знать, как нарастает с глубиной давление. Принимается, что это происходит по гидростатическому закону, т.е. приращение давления

1

(ΔР) при увеличении глубины на 1 равно весу вещества этого слоя, приходящегося на

единицу площади: g l , тогда g l - уравнение Адамса-Вильямсона.

Ф

Сейсмический параметр учёные предложили находить через скорости сейсмических волн (Vp и Vs): Ф V 2p 43V 2s

Таким образом, используя значения сейсмических волн, появилась возможность определить распределение плотности в недрах Земли и построить сравнительно приближенные к истине реальные модели Земли.

Одной их первых реальных моделей является сейсмическая модель ДжеффрисаГутенберга, построенная в 30-ых годах прошлого столетия (рис.1). Модель оставалась неизменной до конца 60-ых годов XX века. Согласно ей недра Земли делятся на три основные оболочки: земную кору, мантию и ядро. Из неё также следовало, что плотность Земли не является непрерывной функцией глубины. Она меняется скачкообразно на границах раздела. Особенности изменения скоростей волн с глубиной связаны с изменением структуры земных пород. При переходе от коры (граниты, базальты) к мантии (ультраосновные породы) скорости возрастают. Увеличение скоростей при приближении к ядру связано с наличием фазовых переходов минералов в боле плотные кристаллические модификации. Падение скорости ρ-волн при переходе из мантии в ядро указывает на то, что внешняя часть ядра жидкая. Во внешнем ядре плавное возрастание ρ-волн связано с нарастанием давления к центру Земли. Во внутреннем ядре скорость ρ-волн не изменяется, так как давление к центру растёт незначительно. S-волны отсутствуют, так как среда жидкая.

Рис.1 Скорости волн Р и S внутри Земли. Классическая сейсмическая модель Земли Джеффриса-Гутенберга.

Следующий шаг в изучении внутреннего строения Земли был сделан в середине прошлого столетия. По мере получения новых сейсмических данных стало возможным

2

более детальное разделение недр Земли. Так, в начале 40-ых годов прошлого столетия австралийский сейсмолог К.Е.Буллен (Keith Edward Bullen 1906-1976), стажировавшийся у Гарольда Джеффриса в Кембридже, предложил сейсмическую модель Буллена строения Земли (рис. 2). Согласно этой модели Земля разделялась на зоны, которые обозначались буквами. К.Е. Буллен предложил схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами (табл. 1): А – земная кора, В – верхняя мантия (силикаты) 33-400 км, С – переходная зона (фазовые переходы) 400-1000км, D – нижняя мантия 1000-2900 км, Е – внешнее ядро 2900-4980 км, F – переходная зона 4980-5120 км и G – внутреннее ядро 5120-6370 км. Позднее зону D он разделил на зоны D' (1000-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время модель значительно видоизменена и лишь слой D" используется достаточно широко. Тем не менее, модель Буллена послужила надежным фундаментом для всех самых современных моделей.

Рис. 2 Схема глубинного строения Земли (по К.Е. Буллену)

Таблица 1

Неравномерное распределение землетрясений и сейсмических станций на поверхности Земли и слабое её покрытие приёмниками – основные причины того, что информация о большей части земных недр в 40-60 гг. прошлого столетия оставалась неизвестной. Принципиально новая ситуация возникла в начале 1960-ых годов, когда

3

была установлена обширная сеть длиннопериодных сейсмометров WWSSN (Worldwide Standardized Seismographic Network), которая зарегистрировала спектр собственных колебаний Земли от катастрофического Чилийского землетрясения1 22 мая 1960 г.

По мере накопления сейсмического материала, исследование недр стало проводиться с помощью сейсмического профилирования, что позволило получать непрерывную информацию, а не в виде дискретных точек. Для геофизических целей использовали методы физики твёрдого тела и физики высоких давлений, геофизические материалы изучались в специальных лабораториях высоких давлений.

Другим важным результатом исследований того периода явилось изучение фазовых переходов минералов в недрах планеты под действием высоких давлений.

Впервые идея о возможности оливина2 под действием высоких давлений принимать структуру шпинели3 и увеличивать тем самым свою плотность на 11% была высказана английским физиком Д. Берналлом в 1936 г. Долгое время все попытки подтвердить это в лабораторных условиях заканчивались неудачей. Лишь в 1958 г. австралийскому учёному А. Рингвуду удалось получить шпинельную полиморфную модификацию фаялита (Fe2SiO4) - крайнего члена оливинового ряда (Mg, Fe)SiO4.

Несколько ранее, в 1953 году, американский физик Л.Коэс синтезировал первую высокоплотностную модификацию кварца - коэсит4 - при давлениях в 30 кбар и температуре в 1000 0С. Плотность коэсита оказалась на 0,28 г/см3 больше плотности обычного кварца и составила 2,93 г/см3. В 1961 г. советские учёные С.М.Стишов и С.В.Попов получили вторую высокоплотностную модификацию кварца - «стишовит5», плотность которого достигала 4,35 г/см3. Коэсит образуется при давлении 1,5-4 ГПа и температуре 300-1700 °C, стишовит – при давлении 16-18 ГПа, температуре 1200-1400 °С.

В результате этих и других лабораторных экспериментов было доказано, что в недрах Земли под действием возрастающего давления происходит перестройка структурных решеток ряда минералов, что влечет за собой существенное увеличение плотности вещества и возрастание скорости сейсмических волн. Всё это позволило составить относительно детальную картину по строению верхней мантии Земли до глубины 700 км.

Так, в 60-ые годы прошлого столетия сформировалась первая современная реальная модель Земли (рис. 3). В соответствии с этой моделью на глубине от 70 до 250 км была выделена литосфера, которая включила в себя земную кору и верхнюю часть мантии (субстрат). Объединение их производилось по механическим свойствам. Ниже литосферы располагалась астеносфера - слой с пониженной вязкостью вещества (порядка 1020 -1021 пуаз). Здесь наблюдалось сравнительно резкое снижение скорости продольных и поперечных волн. Глубже отмечался постепенный рост плотности вещества и плавное нарастание скорости сейсмических волн.

На глубине порядка 400 км фиксировался скачок скорости упругих колебаний – первая зона полиморфных переходов вещества в мантии. Далее, до глубины порядка 700 км скорости сейсмических волн снова плавно росли, отражая постепенное увеличение плотности вещества под действием давления вышележащих слоев. На глубине порядка 700 км выделяется вторая зона полиморфных переходов, что отмечалось скачком скорости сейсмических волн. Строение более глубоких недр Земли в соответствии с первой реальной моделью принципиально не отличалось от модели ДжеффрисаГутенберга. По мере накопления новых геофизических и лабораторных данных постепенно уточнялось строение глубинных сфер Земли и детализировалось строение верхних оболочек. В результате, в конце 70-ых годов прошлого столетия появилось новое поколение реальных моделей Земли, которые подразделялись на оптимальные и стандартные.

4

Рис.3 Одна из первых современных реальных моделей мантии Земли. Модель построена по данным сейсмологии и результатам лабораторных

исследований при высоких давлениях

Оптимальная модель должна наилучшим образом удовлетворять всем имеющимся данным о Земле, а стандартная модель, кроме этого, ещё быть сравнительно простой и удобной для повседневной геофизической практики. Такие модели стали называть параметрическими моделями Земли - РЕМ (parametric earth models). Были построены три типа моделей: для океанов (РЕМо), континентов (РЕМс) и усреднённая (РЕМа).

Различие первых двух типов моделей прослеживалось до глубины порядка 420 км (рис. 4) и определялось различным строением земной коры и верхней мантии под океанами и континентами. При построении модели РЕМо использовались средние данные для океанического региона Земли, РЕМс - средние данные для континентального региона Земли, РЕМа - некоторая комбинация РЕМо и РЕМс. Недостатками этих моделей являются некоторое упрощение строения в зонах полиморфных переходов, отсутствие достаточной чёткости в границе между внешним и внутренним ядром, схематичность в строении мантии в целом. Однако простота моделей типа РЕМ является также и их преимуществом, так как они удобны для повседневной практики, а основные особенности

5

строения земных недр они описывают не хуже более сложных моделей. Для глубин, больших 420 км, параметры для всех трёх моделей одинаковы.

Рис.4 Модели верхней мантии РЕМ-С(континентальная), РЕМ-О (океаническая) и РЕМ-А (средняя Земля) (Жарков, 1983)

Развитие идей, заложенных при построении моделей РЕМ, позволило А.М.Дзивонскому и Д.Л.Андерсону в 1981 г. построить одномерную референтную модель Земли PREM (Preliminary Reference Earth Model). Модель была разработана по заказу Международного Союза по Геодезии и Геофизике (International Union of Geodesy and Geophysics). Союз заказал сферически симметричную модель, которую можно было бы использовать в геодезических и геофизических исследованиях. Модель учитывает все достижения в измерениях и интерпретации свободных колебаний Земли на момент ее создания. Было также привлечено большое количество новых данных по кинематическим и динамическим характеристикам объемных и поверхностных сейсмических волн. Введение анизотропии скоростей (2-4%) в верхних 220 километрах верхней мантии позволило получить согласованную с исходными данными одномерную референтную модель Земли без обязательного, как предполагалось ранее, слоя с пониженным значением скорости в верхней мантии Земли. В целом, модель PREM – это обобщённая модель РЕМ-А, глубже 420 км обе модели практически совпадают. В PREM заметные изменения по сравнению с REM внесены в строение наружных 420 км. Новый слой, появившийся в PREM – трансверсально-изотропный слой в верхней части мантии на глубинах 24,4-220 км. Он характеризуется пятью упругими коэффициентами. В обозначениях Лява для них используются буквы А, С, N, L и F. Здесь скорости вдоль радиуса (νPV, νSV) и перпендикулярно радиусу (νPH, νSH) имеют различные значения:

6

Пятая константа F является функцией скоростей при распространении волны в промежуточных направлениях. Волны PH и SH распространяются в горизонтальном направлении, а волны PV и SV – вдоль радиуса. PREM имеет три границы в верхней мантии (на глубинах 220, 400 и 670 км) и зону низких скоростей для S-волн на глубинах от 80 до 220 км. Поверхность Мохо в данной модели находится на глубине 24 км.

В 1991 Б.Л.Кенет и Е.Р.Энгдал представили одномерную скоростную модель (глобальную сферически симметричную сейсмическую модель) IASP91 (рис. 5).

Рис. 5 Модель IASP91.

Модель разрабатывалась в течение трех лет специальной подкомиссией по землетрясениям Ассоциации по Сейсмологии и Физике Земных Недр (IASPEI). Основная цель работ – создание новых глобальных таблиц годографов сейсмических фаз, которые обновят стандартный годограф Джеффриса – Буллена (1940) и модель PREM(1981). Модель учитывала большой объем цифровых данных о временах пробега Р- и S-волн, публикуемых в бюллетенях Международного сейсмологического центра. Значения скоростей Р- и S-волн рассматривались как функции радиуса (и глубины). В модели IASP91 скачки скоростей Р- и S-волн расположены на глубинах 410 и 660 км (в модели PREM соответствующие границы находятся на глубинах 400 и 670 км). В этой модели нет слоя низких скоростей с трансверсальной изотропией и скачка скоростей на глубине 220 км, а граница М расположена на глубине 35 км. При построении модели IASP91 не требовалось вводить поправки за динамический модуль сдвига, так как используемые данные имели периоды, равные примерно 1 с. Модель IASP91 в верхней мантии заметно отличается от модели PREM. Модели IASP91 и ак 135 используются как отсчетные модели нулевого приближения в томографических моделях, при которых мантия разбивается на достаточно мелкие блоки (~1°, размеры 100 км), в которых определяются

7

невязки скоростей распространения волн по отношению к их значениям в отсчетной модели.

Результаты еще одной попытки обобщения данных с целью построения референтной модели Земли были представлены в 1993 году [Morelli, A., Dziewonski A. M., 1993]. Модель получила индекс SP6. На базе данных по примерно 16000 хорошо записанных мелкофокусных землетрясений за 24 года (1964 – 1987) была построена одномерная скоростная модель с учетом поправок за горизонтальную скоростную неоднородность. Для верхней мантии результаты модели SP6 отличаются от модели IASP91 лишь немного более повышенным значением скоростей Р и S волн между 410 и 660 километрами. В нижней мантии было получено более низкое значение градиента скорости. Что совпадает с моделью PREM. В верхах внешнего ядра скорость Р-волн меньше, чем в PREM. Скачок скорости на границе внутреннего ядра уменьшен до 0.62 км/с. Новый радиус внутреннего ядра – 1215.00 км

С использованием еще большего объема данных в 1995 г. Б.Л. Кеннетом, Е.Р.Энгдалом и Р.Буландом создана ещё более совершенная модель АК 135 (рис. 6).

Рис. 6 Модель АК135.

Она обеспечила значительно лучшее приближение для большого количества сейсмических фаз, чем это было для моделей SP6 и IASP91. Различия между моделью AK135 и моделями SP6 и IASP91 в целом незначительные, кроме границы внутреннего ядра Земли. Для этой границы был уменьшен градиент скорости. Скоростная модель AK135, как и модель IASP91 радиально стратифицированная.

Дальнейшее изучение внутреннего строения Земли идёт по пути ещё большей детализации. В основе современных моделей нового поколения лежат данные сейсмотомографии, на основании которых построены глобальные сейсмотомографические

8

карты для различных уровней земного шара, отражающие сейсмическую неоднородность недр. В частности, японскими учёными составлены карты для 14 уровней, американскими

– для 12 уровней. Анализ карт позволил установить многоуровненные сейсмические неоднородности в мантии, и в то же время обнаружить известное подобие аномальных ареалов между смежными картами.

На основании этих и других современных данных Ю.М. Пущаровским предлагается новая модель строения мантии, в которой выделено шесть геосфер:

1.верхняя часть верхней мантии - до глубины 410 км,

2.нижняя часть верхней мантии - до рубежа 670 км,

3.зона раздела I между верхней и средней мантией (670 - 840 км),

4.средняя мантия (840 - 1700 км),

5.зона раздела II, отделяющая среднюю мантию от нижней (1700 -2200 км),

6.нижняя мантия (1700 . 2900 км). В основании последней выделяется слой D", в отличие от ранее принятых границ этого слоя 2700 . 2900 км; высказывается мысль о неопределённости верхней границы и допускается в ряде случаев её существенное повышение чуть ли не до кровли самой нижней мантии.

Вносятся новые представления и в отношении строения внешнего (жидкого) ядра Земли, которое подразделяется на нижнюю геосферу, с интенсивной конвекцией

(vigorously convecting lower layer), и верхнюю, стратифицированную (stably stratified upper layer) (рис. 7).

Рис.7 Глубинные геосферы Земли (по Ю.М.Пущаровскому).

Как видим, новая модель внутреннего строения Земли существенно отличается от традиционной параметрической модели. Меняется количество геосфер, появляются новые геосферы, изменяется положение границ раздела. Правда автор новой модели указывает, что приведённые им границы раздела следует рассматривать как ориентиры, отклонения возможны до 10%.

Некоторые важные особенности сейсмического поля, выявленные в результате обработки сейсмограмм землетрясений и больших взрывов, в настоящее время находятся в стадии осмысления. Еще предстоит решить нелегкие вопросы, связанные с учетом сферичности Земли при выборе ее осредненной структуры, степень детальности модели;

9

как учесть анизотропию скорости; совместное, согласованное использование данных по Р и S волнам, пересчет данных структурной сейсмологии в плотностную модель Земли.

--------------------------------------------

1 Землетрясение 1960 г. в Вальдивии или Великое чилийское землетрясение 22 мая 1960 г. является самым сильным из всех зарегистрированных землетрясений. Его сила оценивается в 9.5. Оно произошло днём, а вызванные им цунами обрушились на южное побережье Чили, Гавайи, Японию, Филиппины, восточную часть Новой Зеландии и Алеутские острова на

Аляске. Эпицентр землетрясения располагался около чилийского города Вальдивия, приблизительно в 700 километрах к югу от Сантьяго. Вызванные им локальные цунами, высота которых достигала 25 метров, обрушились на чилийское побережье. Основные

цунами пересекли Тихий океан и опустошили Хило на Гавайях. Волны высотой до 10.7 метров были зарегистрированы 10 000 километров от эпицентра – в Японии и на Филиппинах.

2 Оливин – минерал, состоящий из силиката железа и магния (Mg, Fe)SiO4, твёрдость 6,5-7, сигнония ромбическая, плотность 3,2-3,6 г/см3.

3 Шпинель – минерал, состоящий из магния и алюминия MgAl2O4, твёрдость 8, сингония кубическая, плотность 3,5-3,6 г/см3. Рубиновая шпинель массой 398,72 карат (1 карат ~ 0,2 грамма) венчает корону Российской Империи.

4 Коэсит (англ. Coesite) — высокобарическая модификация кремнезёма. Химическая формула: SiO2. Искусственный аналог коэсита был синтезирован в 1953 американским химиком Лорингом Коэсом (1915— 1973). А в 1960 году Юджин Шумейкер обнаружил минерал в кварцсодержащих породах ударного метеоритного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где он образовался за счёт кварца при мгновенном сверхвысоком давлении и повышении температуры при падении метеорита. Позднее коэсит был утвержден в качестве минерала. Коэсит устойчив в диапазоне давлений 28 — 95,5 кбар. Плотность 2,93 г/см3. При меньших давлениях переходит в кварц, при больших — в стишовит.

5 Стишовит образуется при очень высоком давлении и умеренной температуре, впервые обнаружен на месте эпицентра ядерного взрыва. Сингония тетрагональная. Плотность 4,35 г/см3. Стишовит - единственная модификация кремния

диоксида, построенная из октаэдров SiO6

Содержание отчета:

1.Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Ответы на вопросы:

1.Что понимается под моделью внутреннего строения планеты?

2.Почему на ранней стадии развития внутреннее строении Земли можно было представить однородной моделью?

3.Кто, когда и на основании каких данных построил первую реальную модель внутреннего строения Земли?

4.Что представляла собой сейсмическая модель Джеффриса-Гутенберга? Нарисовать схему.

5.Схема глубинного строения Земли по К.Е. Буллену. Нарисовать и описать.

6.Какие открытия в минералогии в 60-х годах прошлого столетия позволили уточнить глубинное строении Земли до глубины 700 км и построить одну из первых современных реальных моделей мантии? (Схема)

7.Что такое оптимальная и стандартная модели?

8.Нарисовать схему и дать характеристики параметрическим моделям Земли - РЕМ (parametric earth models) для 1) океанов (РЕМо), 2) континентов (РЕМс) и 3) усреднённой (РЕМа).

9.Охарактеризуйте одномерную референтную модель Земли PREM.

10.Референтные модели Земли: IASP91, SP6, АК 135время создания, их авторы.

11.Глубинные геосферы Земли по Ю.М.Пущаровскому.

10