0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

а

б

І'ис. / Схема виникнення пришшвів у Землі (а) та їхня роль у зміні кутової швид-

приводить до зміни кугової швидкості обертання Землі; 1 — зміна кутової швидкості обертання ісмлі; 2 зміна прискорення руху Сонця навколо центра Галактики и; А — апогалактій; П — перигалактій; О — сучасна епоха

повить 24,6 см. Отже, сумарний місячно-сонячний вплив може зумовити максимальні коливання геоїда 78 см. Реальні зміни геоїда, у «в'язку з реологічними властивостями верхніх оболонок Землі, становлять всього 65 % наведеної вище величини, тобто ~51см.

Припливи і зміни кутової швидкості обертання Землі. Описані вище зміни швидкості руху Сонця по галактичній орбіті зумовлюють закономірну зміну всіх елементів руху Землі, і, зокрема, зміну її колової швидкості обертання. Остання, в свою чергу, впливає на зміну швидкості обертання Місяця навколо Землі, точніше навколо їхнього спільного барицентра [143, 224].

Перша відносна зміна швидкості обертання Місяця повинна відбуватися з тих самих причин, з яких змінюється колова швидкість обертання Землі, тобто внаслідок зменшення швидкості

19

поступального руху системи Земля — Місяць за час переміщення від апогалактію до перигалактію, як і її збільшення під час руху Сонячної системи у зворотному напрямку.

Друга відносна зміна швидкості обертання Місяця повинна відбуватися у тому самому масштабі внаслідок збільшення колової швидкості руху Землі (також і барицентра).

Отже, під час проходження Сонячної системи через апогалактій орбітальна колова швидкість Місяця повинна бути максимальною, а під час проходження через перигалактій — мінімальною. Орбітальна колова швидкість Місяця повинна зазнавати періодичних коливань, аналогічних коливанням орбітальної колової швидкості Сонця з таким самим періодом, але в протилежних фазах. У цьому разі впродовж аномалістичного періоду (176-106 років) кутова швидкість обертання Місяця змінюється від значень, більших за кутову швидкість обертання Землі, до значень, менших за неї, і навпаки. Двічі вони виявляються однаковими.

У зв'язку з певними реологічними атастивостями верхніх оболонок Землі екстремуми головних припливних хвиль виявляються зміщеними від осі Земля — Місяць. Напрямок цього зміщення визначається співвідношенням кутових швидкостей обертання Землі <в3 й обертання Місяця навколо барицентра Земля — Місяць юм. В разі зміщення екстремумів припливних хвиль від лінії Земля — Місяць у напрямку обертання Землі під дією місячного притягання утворюється пара сил, що гальмує обертання Землі, а в разі зміщення у зворотному напрямку виникає момент сил, що прискорює обертання Землі (див. рис. 7, а).

На рис. 7, б наведено криві зміни швидкості обертання Землі і прискорення руху Сонця за аномалістичний період, побудовані В.О. Цареградським [224] за даними П.П. Паренаго [143]. Привертає увагу асиметричний вигляд кривої зміни швидкості обертання Землі. Це пов'язано з ексцентриситетом місячної орбіти. Річ у тім, що під час збільшення швидкості обертання Землі відстань між Землею і Місяцем значно менша, ніж у період сповільнення. У зв'язку з цим визначений В.О. Цареградським період сповільнення становить близько 108-106 років, а період прискорення —• 68-106 років.

Описаний вище ефект впливу припливів на зміну кутової швидкості обертання Землі зумовлений коливанням найбільшого моменту інерції Землі, що призводить до послідовної періодичної зміни прискорень і сповільнень обертання Землі із загальною тенденцією до її сповільнення. На цей процес на-

20

Розділ 2

ФІЗИЧНІ ПОЛЯ І ВНУТРІШНЯ БУДОВА ЗЕМЛІ

2.1. Оболонкова будова Землі

Швидкості поширення пружних хвиль у Землі. В загальних рисах Землю уявляють такою, що складається з концентричних шарів: 1) тонкої кори, структура якої змінна і відносно складна; 2) менш неоднорідної твердої мантії, що простягається від кори до глибини порядку 2 900 км; 3) рідкого зовнішнього шару ядра завтовшки близько 2 200 км; 4) ймовірно твердого внутрішнього ядра радіусом порядку 1 200 км. Такі уявлення грунтуються на результатах вивчення закономірностей поширення в Землі пружних хвиль, викликаних землетрусами.

На рис. 8, а наведено графіки зміни швидкостей поздовжніх і поперечних пружних хвиль від поверхні Землі до її центра, отри-

Рис. 8. Графіки розподілу швидкостей поздовжніх Ур і поперечних У5 пружних хвиль у Землі (а) і відповідні їм концентричні оболонки (зони) Землі (б):

1 - швидкість за Г. Джеффрісом; 2 - швидкість за Б. Гуттенбергом і К. Ріхтером; Я - глибина від поверхні Землі

22

мані Б. Гуттенбергом і К. Ріхтером (1939 р.) та Г. Джеффрісом (1939 р.). Привертає увагу досить добрий збіг кривих за даними різних авторів, що свідчить про їх вірогідність.

Деякими дослідниками запропоновано моделі будови Землі, в основу яких покладено наведені вище графіки поширення пружних хвиль. Вони відрізняються 'Лише деталями. Тому нижче розглянуто одну з них (тип А), складену К.Е. Булленом [28]. Згідно з цією моделлю, Земля розділена на сім концентричних оболонок (зон), яким присвоєно літерні позначення: А, В, С, А Е, Р, О. На рис. 8, б подано схему розміщення зазначених оболонок Землі (із збереженням відносного масштабу), а в табл. 2 наведено фізичні параметри цих оболонок. Параметри пружних властивостей речовини зон отримані в основному за даними сейсмології. Для визначення щільності використано співвідношення між швидкістю поширення пружних хвиль у речовині та її щільністю за умови задоволення відомих значень середньої щільності Землі та моменту її інерції.

Характеристики зон. З о н а А — це земна кора. За підошву кори приймають сейсмічну межу Мохоровичича, довкола якої відбувається зміна швидкості поздовжніх пружних хвиль від 7 до 8 км/с. Це найменш однорідна зона. Детально вона буде розглянута в наступному розділі.

З о н и В, С і В відповідають мантії Землі. Різкої відміни між ними немає, за винятком того, що в інтервалі зони С градієнти наростання швидкостей Ур і У3 з глибиною зростають. Межі між зонами відповідають стрибкам цих значень. Із зоною В дослідники часто пов'язують наявність шару (шарів) «зниженої швидкості» і відповідного йому шару «інверсії щільності». Ці шари звичайно ототожнюють з астеносферою, яка відіграє істотну роль у геотектонічних побудовах. Питання про існування гіпотетичної астеносфери розглянуто нижче. К.Е. Буллен [28], грунтуючись на сучасних даних, дійшов висновку, що існування шарів зниженої

ють зовнішнім ядром. У зв'язку з тим, що крізь цю зону не проходять поперечні хвилі, зроблено висновок, що речовина в ньому перебуває у рідкому стані. Більшу частину зони Е розглядають як досить однорідну. Згідно з теорією динамомагнітного поля Землі,

2 3

В33-413 3,32-3,64 1,60-2,29 0,270-0,280 0,009-0,141

•Значення параметрів дано умовно. Більш детально див. наступний разділ.

зона Е — зосередження конвективних потоків, які створюють головну частину магнітного поля.

Зону О — внутрішнє ядро — вважають твердим, складеним із досить однорідної речовини.

Зона ґ — перехідний шар між зовнішнім і внутрішнім ядром — характеризується наявністю різкого стрибка у швидкості поширення поздовжніх пружних хвиль. Його відкриття має важливе значення.

Склад земних надр. Проблема складу земних надр нині є однією з найскладніших, оскільки прямих даних про породи в підкоровому просторі немає. Дослідники змушені обмежуватись гіпотезами, що грунтуються на побічних, непрямих даних. Зокрема, корисною є аналогія зі складом метеоритів. Відомі два класи метеоритів: «залізні», що складаються переважно з залізонікелевого сплаву, і «кам'яні», до складу яких входять переважно силікати. Кам'яні метеорити поділяють на дві групи: хондрити (~90 %) та ахондрити (~10 %). Склад хондритів дивовижно одноманітний і подібний до складу ультраосновних порід на Землі; склад ахондритів — ближчий до базальтів. У першому наближенні приймають, що склад ядра подібний до складу залізних метеоритів, а склад мантії — до кам'яних (хондритів). Подальше уточнення складу звичайно здійснюється на основі експериментальних даних про властивості відповідних гірських порід за високих температури і тиску. Проблема ускладнюється тим, що досі ще остаточно не вирішено питання про «гаряче» чи «холодне» походження Землі, хоча більшість дослідників схиляється до уявлення про «холодне» її походження. В цьому разі за механізм утворення внутрішніх оболонок Землі можна прийняти гіпотезу зонної

24

мічний і фазовий склади в зонах Е і С він також вважає однаковими, але не чисто залізо-

нікелевими (Ре-№). Різні дослідники поряд з Ре і № включають в ядро Зі, М§, О, 5. К.Е. Буллен услід за О. Сорохтіним віддає перевагу уявленням, згідно з якими ядро (принаймні зовнішнє) складається з Ре20 РеО + Ре.

У наш час В.В. Кузнецов [98] розвиває модель Землі «гарячого» походження. Змістом гіпотези, з якого виходить автор, є допущення можливості існування протопланетної речовини у вигляді перегрітого і переущільненого газу, стисненого до густини порядку ЗО г/см3 й утримуваного гравітаційними силами в деякому об'ємі.

Уявлення автора про утворення оболонок Землі полягають у такому [98]. На периферії переущільненого і перегрітого газу відбувається його конденсування у рідку фазу, що становить речовину зовнішнього ядра (зона £). Переущільнена ділянка стає внутрішнім ядром (зона Є), для якого характерна сталість швидкості поширення пружних хвиль. Перехідна між ними зона Р представ-

лена сукупністю двох рухомих фаз — газоподібної і рідкої, для якої характерні знижені значення швидкості поширення пружних

25

хвиль. Далі речовина зовнішнього ядра на периферії кристалізується й утворює тверду оболонку Землі (зони В, С І П ) . Автор звертає увагу на певний «провал» у графіку швидкостей поширення пружних хвиль на межі між рідким ядром і твердою оболонкою, який він також пов'язує з наявністю двофазного середовища («рідина» — «тверде тіло»).

Конкретний склад окремих зон Землі не обговорюється. Автор обмежується лише такими зауваженнями. Земля утворилася з однорідної речовини з відносною молекулярною масою 10—12. Мабуть хімічний склад речовини кори, мантії, зовнішнього і внутрішнього ядра дещо відрізняється, причому вірогідніше за все в міру збільшення радіуса зростає й середня відносна молекулярна маса речовини Землі.

Гідросфера й атмосфера. Уявлення про оболонкову будову Землі було б неповним, якщо не зазначити існування гідросфери й атмосфери. Г і д р о с ф е р а займає близько 70 % площі поверхні Землі. Вона є складовою частиною земної кори. Більше того, багато дослідників земну кору акваторій морів і океанів виділяють в особливий тип і використовують її для пояснення тектонічних процесів на Землі. Тому це питання детальніше буде розглянуто в наступному розділі.

Щодо а т м о с ф е р и , то вона, в свою чергу, складається з кількох дифузійно розділених шарів (починаючи від поверхні Землі) [60]: тропосфера, в якій зосереджено 79 % всієї маси атмосфери; стратосфера ~20 %; іоносфера ~0,5 % і верхня атмосфера — шар водню, що переходить у міжпланетне середовище. Межі між цими «сферами» виражені не чітко, а їхня форма повторює сплющеність Землі. В атмосфері так само, як і гідросфері і твердій Землі спостерігаються припливи. Атмосфера відіграє, істотну роль у перетворенні сонячної енергії та у визначенні екзогенних геологічних процесів на Землі.

2.2.Гравітаційне поле Землі

іконцепція ізостазії

Гравітаційне поле. Однією з основних характеристик гравітаційного поля є його напруженість або відповідна їй величина прискорення вільного падіння. Величину прискорення вільного падіння на поверхні Землі отримують різними способами: прямим вимірюванням приладами, обчисленнями, в яких використовується теорія руху штучних супутників у гравітаційному полі Землі та ін.

2 6

Величина прискорення вільного падіння на поверхні Землі складається з двох компонентів. Один з них зумовлений притяганням мас Землі, а другий — відцентровою силою обертання Землі навколо власної осі. Сукупна дія цих сил призводить до стиснення Землі. Величину цього стиснення є можна визначити із

співвідношення

У 1971 р. Міжнародна спілка геофізики і геодезії рекомендувала таку формулу для обчислення нормального значення прискорення вільного падіння [55]:

Во« 978 031,8 (1 + 0,0053024 зіп2ср - 0,0000059 зіїйср) мГал, (4)

де ф — географічна широта.

Відхилення спостережуваних (або обчислених ) значень прискорення вільного падіння від нормальних називають аномаліями На рис. 10 наведено схему гравітаційних аномалій у вільному повітрі. Аномалії зумовлені щільнісними неоднорідностями в Землі. Вони створюють невеликі відхилення рівневої поверхні гравітаційного потенціалу від земного еліпсоїда, перетворюючи

його на геоїд.

Г е о ї д — це рівнева поверхня гравітаційного потенціалу, яка щонайближче збігається з земним еліпсоїдом і перпендикулярна в кожній точці до вектора сили гравітації. Відхилення геоїда вад земного еліпсоїда С, можна обчислити за формулою Стокса [55]:

де а, ф, X — сферичні координати змінної точки на поверхні Землі, прийнятої за сферу радіусом а; а, ф0, А^ — сферичні координа-

2 7