1 Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт

1.1 Лабораторна робота № 1. Фізико-хімічні властивості мантії та ядра Землі

Мета роботи: засвоєння, існуючих на сьогодні день, уявлень про геодинамічні властивості ядра та мантії Землі, методів їх вивчення.

Завдання:

1 Проаналізувати існуючі на сьогоднішній день фізичні моделі ядра та мантії Землі, користуючись літературними джерелами (додаток А);

2 Проаналізувати хімічний склад речовини, яка складає геосфери і мантію (на основі врахування термодинамічних умов надр Землі: високих тисків і температур).

3 Вибрати геодинамічну модель внутрішньої будови ядра та мантії, яка найбільше відповідає Вашим уявленням про фізико-хімічні властивості вказаних геосфер і дати обґрунтування.

Основні теоретичні положення

На теперішній час людина ще не володіє технічними засобами, які б дозволили проникнути в надра Землі на глибину в декілька тисяч кілометрів і добути взірці речовини для вивчення. Тому, надра Землі досліджуються непрямими методами, які ґрунтуються на аналізі фізичних полів Землі. До таких методів відносяться геофізичні методи.

Основним з них є метод сейсмологічних досліджень. З його допомогою в Землі виділено біля 10 границь розділу субстанції. Це свідчить про концентричний характер внутрішньої будови планети.

Серед границь виділені дві основні: земна кора - мантія, мантія - ядро.

Ці дві основні границі поділяють Землю на три концентричні оболонки – геосфери:

-зовнішню оболонку Землі (яка розташована до поверхні Мохоровичича) і сягає глибини 30-70км в межах континентів і 5-10км під дном океану;

-мантію Землі – проміжну оболонку (яка обмежена поверхнями Мохо зверху та Віхерта-Гутенберга знизу) і сягає глибини 2900км;

-ядро Землі – центральне тіло планети, розташоване глибше поверхні Віхерта-Гутенберга.

Дана лабораторна присвячена вивченню останніх двох геосфер.

Мантія є самим крупним елементом Землі, займає 83% її об’єму і складає 66% її маси. В її складі виділяють ряд розділяючих поверхонь. Основними є поверхні – на глибинах 410, 950 та 2700км. За фізичними параметрами ця геосфера поділяється на дві субоболонки:

-верхню мантію (від поверхні Мохо до 950км у глибину);

-нижню мантію (від 950км до поверхні Віхерта-Гутенберга).

Верхня мантія характеризується різким нарощуванням швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль з глибиною. Але на цьому фоні чітко виділяються два шари, які розрізняються за швидкісною характеристикою. Верхній характеризується пониженням темпів нарощування швидкості з глибиною і називається шаром Гутенберга. Він залягає від поверхні Мохо до глибини 410км. Тут в інтервалі глибин 70-150км відмічається також деяке зниження (на величину біля 3%) швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль. Воно може бути пов’язане з розвитком зон плавлення речовини мантії. Фокуси багатьох землетрусів пов'язують з інтервалом 75-150км. Ця частина шару Гутенберга називається астеносферою.

Земна кора разом з твердою частиною шару Гутенберга утворює єдиний жорсткий шар, який лежить на астеносфері і носить назву літосфера. Фактично, літосфера є своєрідною геосферою, яка відділена від верхньої частини мантії активним шаром астеносфери.

Нижче шару Гутенберга розташований шар Голіцина (шар С), який характеризується вельми різким зростанням швидкості з глибиною. У ньому на глибинах 410 - 950км значення швидкості повздовжньої хвилі зростає майже на 2 км/с. Іноді шар Голіцина називають середньою мантією.

Нижня мантія має значну товщину, майже 2000км, та складається з двох шарів Д' (950-2700км) і Д'' (2700-2900км).

Для верхнього шару характерно збільшення швидкості розповсюдження повздовжніх та поперечних хвиль з глибиною. Тут вони досягають максимальних для нашої планети значень (Р=13,6 км/сек.), для хвиль S=7,3 км/с.

Вважають, що рівномірне зростання швидкості з глибиною обумовлено, в загальному, зростанням тиску і свідчить про відносно однорідну будову нижньої мантії. Поблизу її підошви на глибині 2700-2900км виділяється перехідна оболонка (шар Д''), яка відрізняється за своїми властивостями від шару Д'. Тут відмічається декотре зниження швидкості розповсюдження повздовжніх хвиль, що, вірогідно, є наслідком змін, обумовлених переходом до зовнішнього ядра Землі.

Ядро землі - центральна геосфера планети, яка займає біля 17% її об’єму і складає 34% її маси. Таке співвідношення об'єму та її маси обумовлено різкими відмінностями фізичних параметрів ядра і мантії. На зовнішній границі (близько до поверхні Віхтера-Гутенберга) відбувається стрибкоподібне зниження швидкості розповсюдження Р - хвиль від 13,7 до 8,1 км/с. Цей факт визначає специфіку проходження ядра Р - хвилями, які всередині нього відхиляються до центру Землі. В інтервалі епіцентральних відстаней 103-1430 утворюється, таким чином, область сейсмічної тіні. Остання має кільцеподібну форму та розташована на протилежній землетрусові стороні планети. Тому Р - хвилі не можуть бути зареєстровані внаслідок їх відхилення у дуже щільній речовині ядра.

У розрізі ядра виділяють дві границі на глибинах 4980км та 5120км. У зв'язку з цим воно поділяється на 3 елементи:

- зовнішнє ядро (шар С) - від поверхні Віхерта-Гутенберга до границі на глибині 4980км;

- перехідну оболонку (шар F) – в інтервалі глибин 4980-5120км;

- суб’ядро (шар G) – глибше 5120км.

Зовнішнє ядро має феноменальну особливість швидкісної характеристики – не пропускає поперечних хвиль (Р). Це свідчить про відсутність пружного опору зсуву. Тобто, речовина, яка складає зовнішнє ядро, відносно сейсмічних хвиль веде себе як рідина. Вірогідно, що ця речовина в умовах високих тисків та температур не є рідиною в прямому розумінні, але має деякі її властивості.

Суб’ядро (шар G), вірогідно, знаходиться в твердому стані, а шар F, як і шар Д'', є перехідною оболонкою між шарами, речовина яких знаходиться у різних фазових станах.

Відсутність прямих даних про щільність речовини глибинних геосфер Землі обумовлює необхідність використання непрямих, зокрема, сейсмічних методів досліджень. Останні дають змогу зіставити зміни швидкостей розповсюдження сейсмічних хвиль із щільністю речовини. Встановлено, що вона збільшується з глибиною за рахунок зростання таких параметрів, як модуль всебічного стискування (l) та модуль зсуву (m). Особливо значні зміни l та m спостерігаються у мантії Землі, де відбувається закономірне нарощування швидкості Р- і S-хвиль та щільності речовини. Для оцінки щільності геосфер Землі можна, хоча і приблизно, використовувати сейсмологічні дані. При цьому необхідно врахувати декотрі граничні умови: відповідність розподілу мас спостережного моменту; відповідність розподілу щільності середньому значенню для кори (2,7 г/см3) та Землі (5,52 г/см3). Цим умовам задовольняють ряд розрахункових моделей розподілу щільності речовини Землі з глибиною.

Важливими фізичними параметрами також є тиск, прискорення сили тяжіння, температура, електропровідність, провідність, магнетизм та ін.

В науці при вивченні таких складних об’єктів, як геосфера Землі, прийнято мати справу з моделями.

Модель – декотра наочна картина будови об’єкту, що вивчається. При побудові її стараються врахувати всі відомості стосовно останнього. Сучасні моделі внутрішньої будови Землі спираються на великий інформаційний матеріал, який накопичений геофізичними методами досліджень на сьогоднішній день.

Під моделлю Землі розуміють розріз нашої планети, на якому показано, як змінюються з глибиною такі параметри, як щільність, тиск, температура, швидкість розповсюдження сейсмічних хвиль, електропровідність, в’язкість, хімічний склад геосфер і інші (додаток А).

Студенту при виконанні цієї лабораторної роботи, пропонується розглянути основні динамічні моделі, що супроводжуються аналізом, відповідними графічними матеріалами та зробити висновки (в рамках існуючих сучасних поглядів) про будову ядра і мантії Землі.

Перелік контрольних питань:

1. Що називаємо ядром Землі?

2. Що називаємо мантією Землі?

3. Як змінюється швидкість S-хвиль у мантії та ядрі?

4. Чи проходять S-хвилі через ядро – мантію Землі?

5. Які основні фізичні параметри ядра, мантії ви знаєте?

6. Як змінюється щільність речовини ядра, мантії?

7. Які геодинамічні моделі ядра, мантії ви знаєте?

8. Чи відрізняється хімічний склад речовини ядра і мантії?

9. Яка загально прийнята гіпотеза склалася щодо речовини земного ядра?

10. Яку роль відіграють геодинамічні моделі при вивченні внутрішньої будови Землі?