Орленок В.В. Основы геофизики

Подождите немного. Документ загружается.

становится равным ночи. Эти точки называются точками весеннего

(21 марта) и осеннего (23 сентября) равноденствия. Координаты Солн-

ца – склонение

и прямое восхождение

в этих точках равны нулю.

В момент нахождения Солнца в верхней точке эклиптики Е его прямое

восхождение

= 6 часам, а склонение

= + 23°27'. Точка Е называет-

ся точкой летнего солнцестояния (22 июня). В нижней точке эклипти-

ки Е

′

= 18 часам, а

= -23°27′. Эту точку Солнце проходит зимой 22

декабря, поэтому она называется точкой зимнего солнцестояния. Ско-

рость перемещения Солнца по эклиптике равна приблизительно 1° в

сутки. Промежуток времени между двумя прохождениями Солнцем

точки весеннего равноденствия называется тропическим годом. Его

длительность равна 365,2422 дня.

Из-за гравитационного влияния Луны Солнце каждый год прихо-

дит в точку весеннего равноденствия на 20 минут 24 секунды раньше,

чем Земля завершит очередной оборот вокруг него. Это смещение на-

зывается прецессией, или предварением равноденствий. Вследствие

прецессии ось вращения Земли поворачивается за год на 50''27, описы-

вая в пространстве коническую поверхность. Интересно, что полный

оборот земная ось вокруг оси эклиптики совершит за 25800 лет. Это и

есть период прецессии, играющий важную роль в понимании вековых

изменений климата на Земле и образования ледниковых периодов.

Глава II. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ

И ФИЗИКА ЗЕМЛИ

§1. Планетарные характеристики

Длительное существование воды и жизни на поверхности Земли

стало возможным благодаря трем основным характеристикам – ее мас-

се, гелиоцентрическому расстоянию и быстрому вращению вокруг

своей оси.

Именно эти планетарные характеристики определили единственно

возможный путь эволюции живого и неживого вещества Земли в усло-

виях Солнечной системы, итоги которого запечатлены в неповторимом

облике планеты. Эти три важнейшие характеристики у других восьми

планет Солнечной системы существенно отличаются от земных, что и

явилось причиной наблюдаемых различий в их строении и путях эво-

люции.

Масса современной Земли равна 5,976

·10

г. В прошлом, вследст-

вие непрерывно протекающих процессов диссипации летучих элемен-

тов и тепла, она, несомненно, была больше. Масса планеты играет оп-

ределяющую роль в эволюции протовещества. Шарообразная форма

Земли свидетельствует о преобладании гравитационной организации

вещества в теле планеты.

С увеличением глубины растут давление и температура. Вещество

переходит в расплавленное и даже ионизованное состояние, благодаря

чему возрастает его химический потенциал. Тем самым создаются

предпосылки для длительной термической и, следовательно, геологи-

ческой активности планеты. Более подробно об этом мы будем гово-

рить в последующих параграфах главы.

Средний радиус гелиоцентрической орбиты Земли (расстояние от

Солнца) равен 149,6 млн. км. Эта величина принята в качестве астро-

номической единицы. Почему мы выделяем этот параметр среди мно-

жества других? Дело в том, что на этом расстоянии количество сол-

нечного тепла, достигающего поверхности Земли, таково, что выноси-

мая из недр вода имеет возможность длительное время сохраняться в

жидкой фазе, формируя обширные океанические и морские бассейны.

Уже на орбите Венеры, расположенной на 50 млн. км ближе к Солнцу,

и на орбите Марса, расположенного на 70 млн. км дальше от Солнца,

чем Земля, таких условий нет. На Венере из-за избытка солнечного те-

пла вода испаряется и может существовать только в атмосфере плане-

ты, на Марсе – из-за недостатка тепла – пребывает в замерзшем со-

стоянии под грунтом планеты (возможно, в форме мерзлоты). И нако-

нец, вращение Земли – полный оборот вокруг своей оси планета делает

за 24 часа, или за 86400 с, относительно Солнца и за 86164 с – относи-

тельно звезд. Благодаря столь быстрому вращению возникли динами-

ческие условия, необходимые для образования земного магнитного

поля (см. §1 гл. VI). Без магнитного экрана развитие современных

форм жизни при прочих благоприятных условиях было бы невозмож-

но. Поток солнечных частиц высоких энергий беспрепятственно дости-

гал бы земной поверхности, неся гибель живому веществу. Жизнь в

этих условиях могла бы зародиться и существовать лишь под водой

или глубоко в грунте. Суша являла бы собой мертвые пустыни, ли-

шенные растительности и каких-либо живых существ.

Суточное вращение Земли обеспечивает также попеременное на-

гревание и охлаждение ее поверхности. Это способствует развитию

водной и воздушной циркуляции, ускорению динамики всех процессов

жизнедеятельности биосферы, преобразованию вещества земной коры.

Наклон оси вращения к плоскости орбиты (23°27

′) приводит к пе-

риодическому (сезонному) изменению количества солнечного тепла,

получаемого различными участками земной поверхности при движе-

нии планеты по гелиоцентрической орбите. Полное обращение вокруг

Солнца Земля делает за 365,2564 звездных суток (сидерический год),

или 365,2422 солнечных суток (тропический год).

Площадь поверхности Земли равна 510 млн. км

, средний радиус

сферы – 6371 км.

§2. Модель Буллена

Современные представления о внутреннем строении Земли бази-

руются на данных наблюдений за прохождением продольных (Р), по-

перечных (S) и поверхностных сейсмических волн, возникающих при

землетрясениях. Согласно этим данным, Земля имеет сложно-диф-

ференцированное строение и состоит из оболочек, характеризующихся

различной скоростью прохож-

дения Р- и S-волн.

Наиболее резкие измене-

ния упругих свойств наблю-

даются на глубинах порядка

10 – 40 и 2900 км от поверх-

ности Земли. В первом случае

скорость продольных волн уве-

личивается скачком от 6,5 до

8,1 км/с; во втором – резко

уменьшается с 13,25 до 8,5 км/с

(рис. 8).

Верхняя граница (8,1 км/с)

была впервые обнаружена юго-

славским сейсмологом А. Мо-

хоровичичем в 1909 г. при

анализе Загребского земле-

трясения 8 октября 1909 г. Эта

граница условно принята за

подошву земной коры. Она

получила название «граница

Мохоровичича», или «грани-

ца М».

Нижняя граница (13,25 –

8,5 км/с) впервые была уста-

Рис. 8. Внутреннее строение Земли:

А – земная кора; ВС – верхняя мантия;

D – оболочка; Е – верхнее (жидкое) ядро;

F – переходная зона; G – внутреннее ядро

новлена немецким геофизиком Б. Гутенбергом в 1914 г. при изучении

записи землетрясений с эпицентральными расстояниями более 80° от

Геттингена. Граница Гутенберга характеризует переход от оболочки к

ядру Земли.

Наличие у Земли обширного ядра уверенно устанавливается ис-

чезновением волн Р

и S на эпицентральных расстояниях в 105°

(11 тыс. км) и наличием зоны тени между 105 и 142°.

Волна Р

появляется вновь между 142° и 180° с большим запазды-

ванием. Впервые это было установлено Олдгеном в 1906 г. и впослед-

ствии учтено Гутенбергом (Гутенберг, 1963). Резкое уменьшение ско-

рости Р

и непрохождение (или очень сильное ослабление) волны S яв-

лялось надежным свидетельством того, что в диапазоне глубин 1500 –

2900 км (считая от центра Земли) вещество обладает физическими

свойствами, близкими к жидкости, поскольку, как это следует из вы-

ражения для определения скорости распространения поперечных волн,

; для жидких сред модуль сдвига

= 0, и поперечные волны в

них не распространяются. Однако здесь правильнее говорить не о

жидком состоянии вещества внешнего ядра, которое, как будет пока-

зано ниже, обладает все-таки ненулевой жесткостью, а о том, что это

вещество является абсолютно несжимаемым или приближается к это-

му состоянию. Аналогичными свойствами обладает и жидкость.

В 1936 г. датчанка И. Леман установила существование внутрен-

него твердого субъядра. В последующие годы благодаря возросшему

числу сейсмологических станций (в 1971 г. их было 1620) наличие

внутреннего твердого субъядра было подтверждено регистрацией от-

раженных Р

волн от его поверхности.

Очень скоро вслед за выделенными границами внутри Земли были

надежно установлены еще две зоны изменения упругих свойств – в ин-

тервале глубин 50 – 250 км и на глубине порядка 900 км (рис. 9). Слой

верхней мантии в интервале глубин 50 – 250 км характеризуется за-

метным уменьшением скоростей Р-

и S-волн соответственно с 8,1 и

4,6 км/с в верхах мантии до 7,8 и 4,3 км/с на глубинах 100 – 250 км под

континентами и 50 – 60 км под океанами. Этот слой пониженных ско-

ростей получил название «20

границы», или «волновод Гутенберга».

Твердый субстрат выше волновода (под древними докембрийскими

щитами он совпадает с границей Мохоровичича) получил название

«литосфера», а подстилающая область верхней мантии вплоть до глу-

бин 250 – 400 км, где находится нижняя граница волновода, – «асте-

носфера» (рис. 9).

Начиная с глубин 250 – 400 км и 900 км

сейсмология землетрясений указывает на

аномально быстрое возрастание скоростей

Р-

и S-волн с 8,1 и 4,5 км/с до 11,2 и 6,0 км/с

соответственно (рис. 9).

Выделение главнейших границ в теле

Земли по характеру изменения скоростей

распространения упругих волн позволило

К. Буллену (1956), а затем Б. Гутенбергу

(1963) построить модель внутреннего стро-

ения планеты (см. рис. 8). Ниже приведена

таблица основных границ и скоростей рас-

пространения волн внутри Земли, а также

фактора

Q, характеризующего затухание

волн внутри сферических оболочек.

Установление оболочечного строения

Земли принадлежит к выдающимся дости-

жениям классической сейсмологии. Эти данные легли в основу опре-

деления законов изменения плотности, давления и ускорения силы тя-

жести внутри планеты, а вместе с ними позволили подойти к решению

фундаментальной проблемы естествознания – установлению состава и

природы оболочек Земли.

Таблица II.1

Положение границ, скорости распространения и затухания

сейсмических волн внутри Земли

Слой Глубина, км Скорость волн, км/с Q

P S

A 0 – 33 6,75 3,8 450

B 33 – 400 8,06 – 9,64 4,5 60

C 400 – 900 11,4 7,18 150 – 550

D 900 – 2900 13,60 7,18 2000

E 2900 – 5000 7,50 – 10,0 0 4000

F 5000 – 5100 10,26 0 4000

G 5100 – 6371 11,28 3,6 400

Рис. 9. Изменение скоро-

стей P- и S-волн внутри

Земли: 1 – мантия; 2 –

внешнее ядро; 3 – внут-

реннее ядро

§3. Физическое состояние вещества геосфер

Плотность. Средняя плотность самой верхней литосферной обо-

лочки Земли толщиной 0 – 33 км известна из непосредственных опре-

делений и ряда вполне приемлемых экстраполяций – она составляет

2,7 – 3,0 г/см

Средняя плотность вещества Земли легко определяется из закона

тяготения Ньютона:

. (II.1)

Здесь

G = 6,67·10

-8

см

/г·с

(в системе СГС) – гравитационная постоян-

ная;

М – масса однородной шарообразной Земли радиусом R. Отсюда

можно найти массу Земли, если известна средняя плотность запол-

няющего ее вещества:

MR=

ρ , (II.2)

откуда с учетом (II.1) находим

. (II.3)

Подставляя в правую часть выражения (II.1) средние значения

g =

= 982,0 см/с

и R = 6,371·10

см, получаем:

5 517, г/см

. (II.4)

Таким образом, простой расчет показывает, что средняя плотность

Земного шара почти в два раза больше средней плотности литосфер-

ной оболочки Земли. Следовательно, дефицит плотности должен вос-

полняться на более глубоких уровнях планеты.

Характер изменения плотности с глубиной должен при этом удов-

летворять закону изменения скоростей упругих волн, а распределение

масс – наблюдаемому моменту инерции вращающейся Земли:

. (II.5)

Кроме того, плотность на поверхности Земли должна быть равна фак-

тической средней плотности литосферы. Поэтому принятие наиболее

простого закона непрерывно-монотонного возрастания плотности с

глубиной в соответствии с гидростатической моделью хотя и дает

плотность в центре Земли порядка 10 – 11 г/см

, близкую к вероятной

(Магницкий, 1965), однако не отвечает ни одному из вышеперечислен-

ных условий.

Близкое к реальному изменение плотности с глубиной было опре-

делено с учетом данных сейсмологии, среднего для Земли значения

момента инерции I, известного по спутниковым данным, и средней

плотности

. Например, в случае однородной модели момент инерции

был бы равен:

CA I

. (II.6)

Здесь С – момент инерции относительно полярной оси; А – момент

инерции относительно экваториальной оси. Согласно наблюдениям

значение I* для реальной Земли оказалось равно (Мельхиор, 1976):

I/Ma

= 0,33089.

Это соответствует значительной концентрации массы в центре плане-

ты. В этой связи интересно сравнить I* для Луны – он равен

0,402 ± 0,02, т.е. Луну с хорошим приближением можно рассматривать

как однородное тело.

В последние годы стало ясно, что учета только I* оказывается не-

достаточно для того, чтобы объяснить особенности и периоды колеба-

ния земного шара, возникающие под действием сильных землетрясе-

ний (типа чилийского, 1961 г.) и суточных приливообразующих сил.

Дело в том, что в случае полностью твердой Земли частота ее колеба-

ния под действием приложенной силы будет несколько выше, чем час-

тота колебаний шара с «жидким» ядром. «Болтание» твердого субъяд-

ра относительно покрывающей его жидкой оболочки внешнего ядра

увеличивает период колебания всей системы. Это и было обнаружено

при исследовании периодов колебания Земли М. Молоденским (1961)

и Г. Джеффрисом (1960).

С учетом этих данных и на основе ранее рассчитанной модели

внутреннего строения Земли (Гутенберг, 1963; Мельхиор, 1976) мето-

дом машинного перебора установили, что для удовлетворения I* =

= 0,33089 и для получения наилучшего согласия с крутильными и сфе-

роидными колебаниями низких порядков (при прочих вышеперечис-

ленных условиях) необходимо ввести аномальный скачок плотности на

границе с ядром, т.е. на глубине 2900 км. Близкие результаты были по-

лучены Ф. Прессом (1968), рассмотревшим пять миллионов моделей

внутреннего строения Земли, соответствующих данному распределе-

нию скоростей. Путем согласования значений массы Земли, ее момен-

та инерции, времени пробега P- и S-волн и собственных колебаний на

низших гармониках было выбрано четыре модели, удовлетворяющие

всем условиям (табл. II.2). В частности, согласно данным Б. Болта и

К. Буллена, в ядре имеются два скачка плотности на расстояния 1210 и

1660 км от центра Земли при общем радиусе ядра 3470 км (табл. II.2).

Таблица II.2

Строение мантии и ядра Земли (по Мельхиору, 1975)

Зона R, км Скорость, км/с Плотность, г/см

Мантия 3470 10,0 8,33

Внешнее ядро 1810 10,03 9,6

1660 10,31 10,05

Внутреннее ядро 1210 11,5

0 11,23 13,23

Давление и сила тяжести внутри Земли. Нарастание давления Р с

глубиной r в недрах Земли подчиняется гидростатическому закону:

, (II.7)

т.е. уплотнение пропорционально весу вещества слоя, приходящегося

на единицу площади. Таким образом, давление изменяется как непре-

рывная функция, возрастающая с глубиной от 0 атм на поверхности до

1,3⋅10

атм на границе внешнего ядра и 4⋅10

атм в центре Земли (Маг-

ницкий, 1965; Гутенберг, 1963) (рис. 10).

Зная закон распределения плотности с глубиной, можно рассчи-

тать изменение ускорения силы тяжести:

()

rr dr

()

∫

, (II.8)

где R – расстояние от центра Земли до измеряемого уровня на шаре.

Ускорение силы тяжести медленно возрастает до границы внешнего

ядра с 980 до 998 см/с

, на границе испытывает резкий скачок до

10,37 см/с

и затем быстро уменьшается к центру Земли, где оно равно

нулю (рис. 10). Столь резкое уменьшение гравитации в твердом ядре,

несомненно, должно иметь большое значение для создания здесь опре-

деленных условий дифференциации протовещества планеты. В самом

деле, если ускорение силы тяжести на

границе внешнего ядра по сравнению с

поверхностью Земли увеличивается поч-

ти на 2,7 см/с

, то центробежное ускоре-

ние уменьшается примерно на половину

(порядка 1,6 см/с

). Со стороны центра

Земли вектор ускорения силы тяжести

будет направлен в сторону внешней гра-

ницы «жидкого» ядра с одновременным

увеличением в том же направлении цен-

тробежного ускорения. Из этого следует,

что при такой структуре поля силы тяже-

сти дифференциация вещества будет

иметь большую составляющую по напра-

влению от центра Земли. Следовательно,

в сторону субъядра могут быть отмоби-

лизованы лишь наиболее тяжелые ком-

поненты протовещества, причем для их

перемещения потребуется дополнитель-

ная сила, направленная не вдоль радиуса.

Такой силой может быть конвективное

движение.

Рассмотренные данные суммированы в табл. II.3 (Буллен, Хаддон,

1967):

Таблица II.3

Физические параметры земных оболочек

(по Буллену, Хаддону, 1967)

Слой Глубина,

км

Р⋅10

дин⋅см

-2

, г/см

К⋅10

дин⋅см

-2

⋅10

дин⋅см

-2

g, см/с

А 0 0,000 2,84 0,65 0,36 982,2

В 15 0,004 3,31 1,03 0,71 983,2

60 0,019 3,34 1,11 0,72 984,7

С 350 0,117 3,56 1,76 0,72 994,3

650 0,234 4,25 2,76 1,43 998,1

D 850 0,321 4,44 3,24 1,73 996,1

2700 1,24 5,42 6,17 2,86 1050

Е 2878 1,34 9,89 6,50 0 1080

Рис. 10. Изменение с глуби-

ной давления P (Па), плот-

ности σ (г/см

), объемного

модуля κ, модуля жесткости

µ (Па) и ускорения силы тя-

жести g (м/с

) для модели

Буллена; Р, κ, µ выражены

в ед. ⋅10

дин⋅см

-2

Окончание табл. II.3

Слой Глубина,

км

Р⋅10

дин⋅см

-2

, г/см

К⋅10

дин⋅см

-2

⋅10

дин⋅см

-2

g, см/с

F 4561 2,93 11,83 11,97 0 630

4711 3,04 12,26 12,40 0,52 590

5161 3,33 12,70 13,57 0 430

G 6371 3,67 13,00 15,00 1,11 0

Вязкость и жесткость внутри Земли. Для оценки состояния теку-

чести вещества внутри оболочек Земли необходимо знать их вязкость

и жесткость

. Эти параметры не могут быть получены из рассмот-

рения упругих свойств вещества недр Земли, так как последние вызва-

ны кратковременными деформациями среды (секунды, доли секунды).

Лишь длиннопериодные собственные колебания земного шара (поряд-

ка десятков минут и более), вызванные приливными силами и земле-

трясениями, а также вековые изменения скорости вращения Земли во-

круг своей оси могут дать информацию об

Еще в начале прошлого века было установлено, что широта мно-

гих астрономических обсерваторий при измерениях в течение ряда лет

не остается постоянной. Изменение широты могло происходить вслед-

ствие двух возможных причин – горизонтального смещения блоков

земной поверхности либо от качания земной оси вращения. В 1980 г.

одновременными измерениями широты в обсерваториях Берлина и Го-

нолулу, отстоящих друг от друга на 180° по долготе, было доказано

второе предположение (Ботт, 1974). Эти данные также показали отсут-

ствие горизонтальных перемещений Европы относительно дна цен-

тральной части Тихого океана. В 1892 г. А. Чандлер установил, что эти

колебания широты имеют период 430,7 суток.

Для абсолютно твердой Земли, согласно Эйлеру, период собствен-

ных колебаний равен 305 суткам. Чем меньшую жесткость имеет тело

Земли в целом и «жидкое» ядро в частности, тем больше будет период

ее собственных колебаний. Таким образом, приведенные данные пока-

зывают, что реальная Земля отличается от абсолютно твердого тела и,

следовательно, должна обладать определенной вязкостью. Наиболее

сильное доказательство «жидкого» (или, во всяком случае, сходного с

нею) состояния ядра после сейсмологических данных дают такие ис-

следования нутаций. Н. Жобер теоретически показал значительные из-

менения наинизшего периода Т колебаний Земли в зависимости от

твердости внутреннего субъядра (Мельхиор, 1976):