Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет
Подождите немного. Документ загружается.
j - \ ^ r В.Н. ЖЛРКОВ
ВНУТРЕННЕЕ
В.Н. ЖАРКОВ»
ВНУТРЕННЕЕ
СТРОЕНИЕ
ЗЕМЛИ
И ПЛАНЕТ
ИЗДАНИЕ' ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
- 7 4 9 0 5 Д
____
Чврн)г!зоьна дврнмшна
о б л а сн а
I S ! О Г Е К А
1м. а, г. норш1енка
МОСКВА «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
22.65
Ж35
УДК 525
Жарков В. Н.
Ш 35 Внутреннее строение Земли и планет,— М.: Наука.
Главная редакция физико-математической литера
туры, 1983.— 416 с.
В книге популярно и п то же время строго научно изложено
современное состояние проблемы строения Земли, планет и Луны.
Покачана многоплановость современной геофизики и ее обширный
экспериментальный фундамент. Большое внимание в книге уделено
разъяснению основных идей геофизики, в том числе таких слож
ных, как механизм очага землетрясения, понятие фигуры Земли,
зондирование Земли методом собственных колебаний, проблема
происхож дения геомагнетизма и ряда других. Новое издание до
полнено специальными разделами, посвященными тектонике плит,
прогнозу землетрясений, земным приливам, эволюции лунной ор
биты и др.
Книга рассчитана на преподавателей физики и астрономии в
школе, лекторов, студентов астрономов и физиков, специалистов
смежных областей — геофизиков, геохимиков, геологов, а также на
лиц со средним образованием, интересующ ихся современным со
стоянием проблемы.
ББК22.65
526
1705050000 — 125
Ж 053(02)-83
166-83
©
Издательство «Наука»
Главная редакция
физико-математической литературы,
1983, с изменениями
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму и з д а н и ю ................................................ 5
Предисловие к первому и з д а н и ю ........................................................ 6
Введение ................................................................................................................ 9
ЧАСТЬ I
СТРОЕНИЕ ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ
Глава 1. С ей см ол о ги я.................................................................................12
1.1. Классическая сейсм ическая модель Земли Д ж еф
фриса — Г у т е н б е р г а ..................................................................12
1.2. Сейсмические в о л н ы
................................................................17
1.3. Сейсмичность З е м л и ................................................................ 29
1.4. М еханизм очагов землетрясений. Классические
п р е д с т а в л е н и я .................................................................................35
1.5. П редсказание з е м л е т р я с е н и й ...............................................44
Глава 2. Г рави м етри я..................................................................................57
2.1. Становление гравиметрии
.
........................................................57
2.2. Гравитационное поле и ф игура Земли. Момент инер
ции З е м л и ........................................................................................59
2.3. Внешнее гравитационное поле Земли по данным ис
кусственных спутников З е м л н ........................................63
2.4. Отклонение Земли от состояния гидростатического
р а в н о в е с и я ....................................................................................... 66
2.5. И з о с т а з и я .........................................................................................67
2.6. Земные п р и л и в ы ........................................................................ 71
Глава 3. Собственные колебания З е м л и ..................................78
3.1. Открытие и общие с в о й с т в а ................................................78
3.2. Диссипативные свойства земных недр .... 89
3.3. Динамический модуль сдвига земны х недр . . 94
Глава 4. Магнетизм и электропроводность Земли . . . 102
4'1. М агнитное поле З е м л и ........................................................102
4.2 Природа г е о м а г н е т и з м а .........................................................108
4.3. Электропроводность З е м л и .................................................118
Глава 5. Геотермика. Распределение тем пературы. Тепло
вой поток из недр З е м л и ........................................
.......
121
Глава 6. И сследование геофизических материалов при вы
соких давлениях .
.
.........................................................................132
6.1. Геофизические м атер и ал ы ..........................................................133
6.2. Статические и с с л е д о в а н и я .................................................139
6.3. Динамические исследования ....... 150
Глава 8. Тектоника п ли т...............................
8.1. Введение. История вопроса
8.2. Геохронология и возраст Земли
8.3. Тектоника п л ит
..............................
'.
8.4. Механизмы тектоники плит
част ь 11
СТРОЕНИЕ ПЛАНЕТ И ЛУНЫ
YCKO-
Глава 7. Модели внутреннего строения Земли . . . . 153
7.1. Однородная модель
.
..................................................................154
7.2 Реальные модели (распределении п.'нп
рения силы тяжести, давления)
7.3. Современные м о д е л и ..............................
7.4. Минералогический состав ....
7.5. Физическая модель
.....................................
7.0. Реологическая модель корм и мантии
7.7. Физика твердого тела и модель .Чем л и
10.5. Распространенность элементов л группы космохн-
155
162
167
170
177
lit!)
208
2(18
216
232
257
307
307
330
Глава 9. Строение планет земной группы .
9.1. Общие сведения и данны е наблюдений
9.2. М одели внутреннего строения Венеры, Марса и
М еркурия .........................................................................................
9.3. К рупномасш табные статические касательны е на
пряж ения в недрах Венеры, Марса и М еркурия
9.4. Распределение эфф ективной вязкости в недрах Be-
керы, М арса и М еркурия .
.
...............................................’ * 1
34°
Глава 10. Внутреннее строение планет-гигантоп . . .
10.1. Создание водородной концепции Ю питера и Сатурна
10.2. Теория ф и г у р ы ................................................................................ 5, ’
10.3. Адиабатическая модель . . . . •• . . .
10.4. Данные наблюдений
352
мических в е щ е с т в ........................................................................
.........
10.6. Уравнение с о с т о я н и я ................................................................г £ !
10.7. Модели Ю питера и С а т у р н а ................................................
10.8. Модели Урана и Н е п т у н а ........................................................' “
10.9. Планета Плутон — быкшнй спутник Н ептуна? . .
Глава 11. Внутреннее строение Л у н ы
.........................................
11.1. Сейсмические д а н н ы е
................................................................
11.2. Л унные породы. М еханизм образования коры и верх-
ней м а н т и и ........................................................................................оА/
11.3. Фигура и гравитационное п о л е ........................................
11.4.'М агнетизм Л у н ы ........................................................................ i"®
11.5. Распределение электропроводности и температуры
11.6. Тепловой поток
.
.......................................................................
11.7. Л унная х р о н о л о г и я ................................................................
11.8. Об истории лунной о р б и т ы
................................................
11.9. Краткие сведения о строении галилеевых спутников
Ю питера, Титана и ледяных спутников Сатурна . 404
Л и т е р а т у р а ........................................................................................................410
Предметный у к а з а т е л ь ................................
.......
.......................................411
Во втором издании книга существенно расширена с
целью сделать ее более универсальным пособием для
первого знакомства с основами физики Земли и планет.
В книгу введены большие параграфы, посвященные
механизму землетрясений (классические представления),
прогнозу землетрясений, земным приливам, реологиче
ским моделям коры и мантии, физике твердого тела и
моделям Земли, эволюции лунной орбиты, а также сдела
ны добавления к уже существовавшим параграфам.
Написана новая глава «Тектоника плит», занимаю
щая четверть книги, где наряду с основными положения
ми новой глобальной тектоники изложены геохронология,
физические механизмы тектоники плит, геохимические
эволюционные модели и распределение радиогенных ис
точников в недрах Земли.
Заново написаны главы «Строение планет земной
группы» и «Внутреннее строение Луны», в которых рас
смотрены модели внутреннего строения Меркурия, Вене
ры, Марса и Луны с привлечением последних результа
тов космических исследований.
Автор надеется, что книга окажется полезной для
первого знакомства с физикой Земли и планет.
В 1973 г. автор настоящей книги написал популяр
ную брошюру по геофи.чнке, которая.в несколько расши
ренном виде была издана в ГДР. Эти популярные публи
кации и послужили истоками настоящей книги.
Геофизика является исключительно многоплановой
наукой, и широкий ее обзор и изложение встречают опре
деленные трудности. Эти трудности были всегда, но сей
час, когда геофизика сильно разрослась и продолжает
расти, все это стало еше более ощутимо.
Современная геофизика пе имеет резких границ с
астрофизикой Солнечной системы, космохимией, геохими
ей и геологией. Более того, при решении принципиаль
ных вопросов такие границы приходится стирать.
Далее, очень существенной чертой геофизики являет
ся ее очевидное практическое значение: прогноз стихий
ных бедствий, поиск полезных ископаемых и т. д., что
иногда заслоняет полное содержание предмета. Нам ка
жется, что н романтика космических исслёдований остав
ляет несколько в тени научное значение этого величай
шего свершения современности.
Предлагаемая вниманию читателей книга состоит из
двух частей. В первой части речь пойдет о внутреннем
строении планеты Земля, а во второй рассмотрено стро
ение других планет и Луны. Разделение книги дикту
ется имеющейся информацией. О Земле известно несрав
ненно больше, чем о Лупе и планетах, поэтому представ
лялось логичным изложить геофизику на примере Земли.
Видимо, со временем физика планет будет излагаться
как физика твердых планет земной группы и твердых
спутников и физика жидких планет-гигантов.
Наряду с изложением основных разделов физики пла
нетных недр автор старался показать историческую кан
ву событий, хотя здесь и могли быть допущены некото
рые промахи.
К сожалению, по многим причинам автор не смог
рассказать о самих творцах геофизики. О том, что их
склонило заняться изучением планет, о том, как проис
ходит становление ученого — геофизика, как происходит
выбор проблем в тот пли иной исторический период, свя
зи с какими науками считаются важными и т. д.
Без этих сведений полное представление о геофизике
как науке оказывается обедненным. Чтобы как-то скра
сить указанный недостаток, приведем один пример такого
рода: автобиографический отрывок из статьи сэра Га
рольда Джеффриса.
«Различные стипендии привели меня в колледж Ре
зерфорда, Ньюкасл (школа второй ступени), колледж
Армстронга, теперь Ньюкаслский университет. Там я
совершенствовался по математике и химии в течение
трех лет, физике в течение двух лет и геологии в тече
ние одного года. В моей последующей карьере все это
было полезно для меня. Я начал интересоваться изуче
нием природы и астрономией в раннем возрасте. Ньюкасл
расположен в провинции, где однодневное путешествие
позволяет достичь местности любого геологического пе
риода от силура до юры, и субботние экскурсии обога
тили меня обильным полевым опытом...
В колледже Святого Джона, Кембридж, я сосредото
чился на математике. Я получил премию Смита и стипен
дию для продолжения исследований за работы по стро
ению Земли и Луны и движению метеорных тел с приме
нением к кольцам Сатурна и планетезимальной теории.
После четырех с половиной лет работы в метеорологиче
ском центре я последовательно был университетским лек
тором по математике, ридером*) по геофизике и Плюми-
анским профессором астрономии. Я член колледжа Свя
того Джона с 1914 года.
Когда я начал исследования, институт степеней Док
тора философии в Кембридже еще не был основан, ди
пломные работы выполнялись под руководством консуль
тантов. Я обычно консультировался у профессора
Г. Ф. Ньювалла и профессора А. С. Эддингтона, которые,
кроме своей' основной работы, знали многое и в других
областях науки.
Люди могут удивиться, что геофизик может стать про
фессором астрономии. В действительности в этом нет
ничего удивительного. Когда мне было около шестнадца
ти, мой интерес привлекла популярная книга о приливах
*) Ридер (R eader) — промеж уточная степень между обыч
ным лектором и профессором.
сэра Джорджа Дарвина *), а впоследствии и его работы.
Он умер в 1912 году, и я никогда его не встречал. (Эд
дингтон наследовал ему на кафедре, а я наследовал Эд
дингтону.) Почти все работы Дарвина были на стыке
между астрономией и геофизикой, и я думаю, что около
трех четвертей моих работ является продолжением его
трудов. Возможно, в результате влияния Дарвина астро
номия и геофизика были тесно связаны в Королевском
Астрономическом Обществе, которое публиковало неко
торые из его работ. Общество начало геофизические дис
куссии в 1917 году, основало журнал «The Geophysical
Supplement to the Monthly Notices» в 1922 году, журнал
«The Geophysical Journal» в 1958 году. По-видимому,
я считался подходящим кандидатом на место Плюмиан-
ского профессора по этой причине, но возможно также
и потому, что я пытался построить теорию происхожде
ния Солнечной системы, и потому, что вопреки бытовав
шему в то время мнению я показал, что внешние пла
неты должны быть очень холодные. Это было немедленно
проверено Кобленцом и Мензелом...». Гарольд Джеффрис.
История жизни (в статье «Развитие геофизики», 1973 г.).
*) Д а р в и н . Дж. Г. Приливы и родственные им явления в
Солнечной системе.— М.: Н аука. 1965 (Darwin George Ho
ward. The Tides and K indred Phenom ena in the Solar System .—
London, 1898).
ВВЕДЕНИЕ
«...Науки, которые не родились из экс
перимента, этой основы всех познаний,
бесполезны и полны заблуждений...».
Леонардо да Винчи
Изучение внутреннего строения Земли и планет и их
эволюции является одной из центральных задач совре
менной науки. Водная и воздушная оболочки нашей пла
неты, как и твердая кора, являются вторичными продук
тами развития Земли: все они выделились из недр нашей
планеты на протяжении геологической истории. Поэтому,
чтобы лучше понять, как устроены эти три наружные
оболочки Земли, ученые изучают строение земных недр.
Весь вопрос, грубо говоря, разбивается на два. Первый,
более простой,— это собственно вопрос, как устроены нед
ра Земли в настоящее время; второй, более сложный,—
как была устроена Земля раньше и какие изменения она
претерпела за время своего существования, продолжи
тельность которого составляет примерно 4,6 милли
арда лет.
Важнейшей чертой геофизики — науки, использующей
физические методы для изучения Земли,— является то,
что по необходимости большой объем работы приходится
на теоретические методы, так как непосредственное про
никновение в недра Земли невозможно.
Нельзя, конечно, думать, что геофизика — чисто тео
ретическая наука. Нет, геофизика как отрасль естество
знания основана на экспериментальных геофизических
данных, но все эти данные всегда косвенные. Только тео
ретический анализ геофизических данных позволяет нам
судить о тех или иных свойствах земных недр.
Само геофизическое исследование намного сложнее
чисто физического исследования. Дело в том, что физик
в лаборатории ставит эксперимент так, чтобы ему было
удобно изучать ту или иную сторону рассматриваемого
явления. Геофизик лишен такой «роскоши». В геофизике
большей частью эксперимент ставит сама природа. Так,