6. Какие открытия в минералогии в 60-х годах прошлого столетия позволили уточнить
глубинное строении Земли до глубины 700 км и построить одну из первых современных
реальных моделей мантии? (Схема)
Принципиально новая ситуация возникла в начале 1960-ых годов, когда
была установлена обширная сеть длиннопериодных сейсмометров WWSSN (Worldwide
Standardized Seismographic Network), которая зарегистрировала спектр собственных
колебаний Земли от катастрофического Чилийского землетрясения1 22 мая 1960 г.
По мере накопления сейсмического материала, исследование недр стало
проводиться с помощью сейсмического профилирования, что позволило получать
непрерывную информацию, а не в виде дискретных точек. Для геофизических целей
использовали методы физики твёрдого тела и физики высоких давлений, геофизические
материалы изучались в специальных лабораториях высоких давлений.
Другим важным результатом исследований того периода явилось изучение
фазовых переходов минералов в недрах планеты под действием высоких давлений.
Впервые идея о возможности оливина под действием высоких давлений
принимать структуру шпинели и увеличивать тем самым свою плотность на 11% была
высказана английским физиком Д. Берналлом в 1936 г. Долгое время все попытки подтвердить это в лабораторных условиях заканчивались неудачей. Лишь в 1958 г.
австралийскому учёному А. Рингвуду удалось получить шпинельную полиморфную
модификацию фаялита (Fe2SiO4) - крайнего члена оливинового ряда (Mg, Fe)SiO4.
Несколько ранее, в 1953 году, американский физик Л.Коэс синтезировал первую
высокоплотностную модификацию кварца - коэсит - при давлениях в 30 кбар и
температуре в 1000 0С. Плотность коэсита оказалась на 0,28 г/см3 больше плотности
обычного кварца и составила 2,93 г/см3. В 1961 г. советские учёные С.М.Стишов и
С.В.Попов получили вторую высокоплотностную модификацию кварца - «стишовит»,
плотность которого достигала 4,35 г/см3. Коэсит образуется при давлении 1,5-4 ГПа и
температуре 300-1700 °C, стишовит – при давлении 16-18 ГПа, температуре 1200-1400 °С.
В результате этих и других лабораторных экспериментов было доказано, что в
недрах Земли под действием возрастающего давления происходит перестройка
структурных решеток ряда минералов, что влечет за собой существенное увеличение
плотности вещества и возрастание скорости сейсмических волн. Всё это позволило
составить относительно детальную картину по строению верхней мантии Земли до
глубины 700 км.
Так, в 60-ые годы прошлого столетия сформировалась первая современная
реальная модель Земли (рис. 3). В соответствии с этой моделью на глубине от 70 до 250
км была выделена литосфера, которая включила в себя земную кору и верхнюю часть
мантии (субстрат). Объединение их производилось по механическим свойствам. Ниже
литосферы располагалась астеносфера - слой с пониженной вязкостью вещества (порядка
1020 -1021 пуаз). Здесь наблюдалось сравнительно резкое снижение скорости продольных и
поперечных волн. Глубже отмечался постепенный рост плотности вещества и плавное
нарастание скорости сейсмических волн.
На глубине порядка 400 км фиксировался скачок скорости упругих колебаний –
первая зона полиморфных переходов вещества в мантии. Далее, до глубины порядка 700
км скорости сейсмических волн снова плавно росли, отражая постепенное увеличение
плотности вещества под действием давления вышележащих слоев. На глубине порядка
700 км выделяется вторая зона полиморфных переходов, что отмечалось скачком
скорости сейсмических волн. Строение более глубоких недр Земли в соответствии с
первой реальной моделью принципиально не отличалось от модели Джеффриса-
Гутенберга. По мере накопления новых геофизических и лабораторных данных
постепенно уточнялось строение глубинных сфер Земли и детализировалось строение
верхних оболочек. В результате, в конце 70-ых годов прошлого столетия появилось новое
поколение реальных моделей Земли, которые подразделялись на оптимальные и
стандартные.
Что такое оптимальная и стандартная модели?
Оптимальная модель должна наилучшим образом удовлетворять всем имеющимся данным о Земле, а стандартная модель, кроме этого, ещё быть сравнительно простой и удобной для повседневной геофизической практики. Такие модели стали называть параметрическими моделями Земли - РЕМ (parametric earth models). Были построены три типа моделей: для океанов (РЕМо), континентов (РЕМс) и усреднённая (РЕМа).