Физические неоднородности земных недр
Физические неоднородности земных недр
Заметим, что в основе построения классических физических моделей Земли РЕМ (parametric earth models) лежат сейсмические данные, характеризующие распространение сейсмических волн, возбужденных как землетрясениями, так и от искусственных взрывов (глубинные сейсмические зондирования).
Как ранее отмечено, Земля по сейсмологическим материалам подразделяется на три основные зоны – кору, мантию ядра и ядро, каждая из которых состоит из более тонких оболочек. При интерпретации сейсмограмм основные слои рассматриваются как идеально упругие изотропные тела с упругими параметрами: модель сжатия KS, модуль сдвига m, коэффициент Пуассона s.
Нетрудно видеть, что оценка характера распределения плотности внутри Земли определяется знанием картины скоростной характеристики сейсмических волн VP(r) и VS(r). В свою очередь определение законов изменения силы тяжести и давления в земных недрах связано со знанием закона распределения плотности с глубиной r(r).
На обобщенной модели Земли (см. рис.9) видим, что кривая плотности имеет тенденцию увеличения значений плотности с глубиной, с разрывом на границе «мантия-внешнее ядро» и на границе «внешнее ядро – внутреннее ядро».
Ускорение силы тяжести до границы «мантия - внешнее ядро» имеет колебательный характер, а затем резко почти линейно уменьшается, и в центре Земли равно нулю.
Давление монотонно увеличивается с глубиной, достигая максимума в центре Земли.
Распространение температуры в земных недрах оценивается из следующих соображений.
Тепловой поток на докембрийских щитах 35-40 мВт/м2; в областях байкальско-каледонской складчатости – 50; для герцинид – 60-70, а в альпийских складчатых областях в среднем 75-80 и более до 120 мВт/м2. Геотермический градиент для самой верхней части земной коры по данным бурения скважин равен 30С на 100 м.
В целом в верхней мантии температуры оцениваются в 1700-20000С, на глубинах 900-2700 км – 25000С, в ядре – 50000С. На рис.10 приведены расчеты возможных температур внутри Земли.
Особенностью теплового режима Земли является наблюдаемое примерное равенство средних значений теплового потока над океанами и континентами, глубинная структура для которых существенно различна. В связи с этим фактом высказываются две точки зрения. Одна связывает равенство тепловых потоков над океанами и континентами с одинаковым количеством радионуклидов для этих областей, причем под океанами основная масса радионуклидов сконцентрирована в верхней мантии, а на континентах – в земной коре. Вторая точка зрения предполагает, что тепловой поток над океанами обусловлен конвекцией глубинного вещества, а в континентах он обусловлен радиоактивными элементами в земной коре и верхней мантии.
Одной из важнейших характеристик вещества в недрах Земли является вязкость. На основе послеледникового поднятия Фенноскандии средняя вязкость верхней мантии оценивается величиной 1019-1020Па×с. Вязкость нижней мантии определена по вековому замедлению скорости вращения Земли и равна примерно 1025Па×с. Вязкость внешнего ядра найдена по поглощению в нем продольных сейсмических волн – около 108Па×с. Принимая природу вязкости мантии диффузионной, установлено, что слой пониженных скоростей в верхней мантии (слой Гутенберга) обладает пониженной вязкостью (и, возможно, минимальной).
Электропроводностью вещества земных недр определяется на основе геомагнитных вариаций, возбуждаемых солнечной активностью в атмосфере. Для этого наблюдаемые на магнитных обсерваториях вариации магнитного поля во времени разлагаются в ряд Фурье и по сферическим функциям. Результаты анализа таких разложений показывают, что наблюденный вектор вариаций разделяется на две составляющие: вариации от внутренних источников и вариации, обусловленные внешними факторами. Вариации от внутренних источников составляют треть общих вариаций и объясняются следствием индукционных токов, возникающих под воздействием внешних вихревых токов. В мантии электропроводность изменяется с глубиной следующим образом: в верхах мантии до глубин 500 км она равна примерно 5×10-4 Ом-1×см-1, затем на глубине около 500 км она начинает резко расти до 10-1Ом-1×см-1 на глубине 1000 км, и далее медленно увеличивается к подошве мантии до величин порядка 1 Ом-1×см-1. Экспериментально показано, что при температурах, меньших 12000С, электропроводность обусловлена электротоками и примесными ионами (земная кора и верхняя мантия). С увеличением температуры и соответственно глубины электропроводность возрастает и основную роль при этом играет собственная ионная проводимость равна d =2×10-4÷10-3Ом-1×см-1. Земное ядро характеризуется металлической проводимостью; для него d>3×103Ом-1×см-1.
НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ