2.2. Внутреннее строение Земли. Сейсмический метод. Вещественный состав геосфер

Наиболее достоверные данные о внутреннем строении Земли дает один из методов геофизики - сейсмический метод, изучающий направление и скорости распространения в Земле упругих волн, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. При этом образуются волны трех типов.

1. Поверхностные волны – или волны Релея (L), распространяющиеся по поверхности Земли и имеющие небольшую скорость. Возникают у свободной поверхности упругой среды, например на границе раздела земля-воздух, и быстро затухают.

2. Продольные волны (Р) - представляющие собой упругие колебания вещества около своего среднего положения в направлении распространения самой волны, т.е. попеременное его сжатие и растяжение. Распространяются в любых средах и имеют наибольшую скорость и приходят на сейсмические станции первыми. Могут проходить в газообразной, жидкой и твердой средах.

3. Поперечные волны (S) – вызывают колебания вещества в направлении, перпендикулярном распространению волны, они связаны со сдвигом вещества, т.е. изменением его формы. Эти волны могут проходить только через твердое вещество и затухают в жидком и газообразном, т.к. они не сопротивляются изменению формы. Распространяются медленнее продольных.

Сопоставление сейсмограмм, сделанных на сейсмических станциях, расположенных в разных местах земной поверхности, позволяет определить скорость и путь проникновения волн через все тело Земли.

Если бы Земля была однородным телом, то путь волн через нее был бы прямолинейным и скорость одинаковой везде, но в действительности скорости волн испытывают скачкообразные изменения и пути пробега волн имеют сложный вид.

Резкое изменение скоростей сейсмических волн отражает скачкообразное увеличение плотности вещества, и, следовательно, разделение Земли на три геосферы – земную кору, мантию и ядро. На границах раздела геосфер отмечаются резкие скачкообразные изменения скоростей распространения сейсмических волн, что связано с изменением агрегатного состава и плотности вещества (рис. 2).

Рис. 2. Скорости c_pи c_sраспространения продольных и поперечных сейсмических волн в верхней мантии Земли /по Б. Гуттенбергу/

Первая поверхность скачка находится на глубинах 60 км – в нижней части литосферы, при скорости продольных волн от 5…8 км/с. На границе с мантией происходит резкое увеличение скорости распространения волн. Верхняя мантия включает подкоровую литосферу и астеносферу и отделена от средней мантии, называемой также слоем Голицына - границей, которая находится на глубине около 410 км, при переходе через которую сейсмические скорости резко возрастают. Скорость продольных волн в мантии увеличивается, и на глубине 2900 км достигает 13 км/сек, затем резко падает до 8 км/с, когда они достигают ядра, где поперечные волны совсем затухают, т.е. ведут себя как в жидкой среде.

К центру Земли, на глубине 5100 км скорость продольных волн постепенно возрастает до 11,3 км/с. Сопоставив многочисленные данные по распространению сейсмических волн в толще земного шара, ученые наметили границы и мощность геосфер. Мощность литосферы от 5…80 км, мантии – до 2900 км, ядра – от 2900 до центра Земли (рис. 3).

Представляет интересивещественный состав геосфер. Литосфера является твердой оболочкой кристаллического строения и состоит из легкоплавких силикатов с преобладанием алюминиевых.

Больше всего в коре кислорода (49,13 %), кремния (26 %) и алюминия (7,45 %).

Рис. 3 Внутреннее строение Земли

Наиболее распространенный элемент - кислород - содержится в коре не в свободном виде, а в форме окислов: в среднем 58 % SiO₂, 15 % Аl₂O₃, 8 % FeO и Fе₂О₃, 6 % СаО, по 4 % MgO и Na₂O, 2,5 % К₂О и т.д. Специально следует подчеркнуть содержание главных долгоживущих радиоактивных изотопов - урана (U²³⁸ и U²³⁵), тория (Th²³²) и калия (К⁴⁰).

Их концентрации в разных породах коры различны, но отношения (Th/U ~ 4 и K/U ~ 10⁴) приблизительно постоянны. больше всего их в гранитах (концентрация урана достигает 4,75·10^-6), вдвое меньше в осадочных породах (2,5·10^-6), еще меньше в базальтах (6·10^-7) и меньше всего в перидотитах (1,6·10^-8) и дунитах (1·10^-9).

Средняя плотность земной коры 2,7 г/см³.

Мантия составляет более 80 % объема земного шара и как полагают, состоит из сильно сжатых силикатных систем и неоднородна по своему составу. В верхней мантии происходят процессы, которые приводят в движение земную кору, температура здесь возрастает с глубиной. На глубине 100 км она составляет 1300 ^оС, вблизи поверхности ядра повышается до 2300 ^оС, но такие высокие температуры здесь не приводят к расплавлению вещества из-за огромного давления. Нижняя мантия характеризуется однородным составом и состоит из вещества богатого оксидами железа, магния и в меньшей степени титана и алюминия. Плотность мантии колеблется от 5,7…9,4 г/см³.

Ядро Земли состоит из внешней и внутренней оболочек, и предполагают, что с глубины 2900 до 5100 км находится внешнее ядро, по своему состоянию приближающееся к жидкости, плотность составляет 12 г/см³. Внутреннее ядро считают твердым, здесь плотность составляет 17,9 г/см³. Свойствами ядра может обладать вещество, состоящее на 80 % из железа и на 20 % из диоксида кремния и температура которого составляет несколько тысяч градусов Цельсия.

Геосферное строение Земли уже достаточно давно известно, но до сих пор проблемой является химический состав оболочек и способ дифференциации вещества на геосферы.