37. Изучение глубинного строения Земли с помощью сейсмического зондирования

Глубинное строение недр Земли важно изучать как с научной, так и практической т.з. Эти исследования необходимы для прогноза землетрясений, вулканической деятельности, поисков месторождений полезных ископаемых и т.д. При этих исследованиях изучают различные характеристики волновых полей: время пробега волн, фазовые и групповые скорости, амплитуды, частоты и т.д. Обработка результатов наблюдений проводится на ЭВМ. Методика, основанная на использовании взрывов, получила название глубинного сейсмического зондирования.

Рис.19. Схема строения земной коры.

1 – континент, 2 – осадочные породы, 3 – гранит, 4 – океан, 5 – базальт, 6 – осадки, 7 – поверхность Мохо, 8 – верхняя мантия (дунит).

Различие механизмов формирования земной коры на отдельных участках привело к неодинаковому ее строению. В этой связи принято различать материковую и океаническую кору.

Материковая кораимеет толщину, изменяющуюся в широких пределах: от 25 – 30 км под равнинами до 60 – 75 км под горными областями, в среднем составляя около 33 – 35 км. Под горами имеются утолщения земной коры, выступы ее в глубь («корни гор»). Особенно большой толщины кора достигает под Гималаями (около 75 – 80 км), Андами (75 км).

При сейсмическом зондировании материковой коры выделяются три основных ее слоя, различающихся своей плотностью. Верхний из них носит название осадочного слоя. Это наименее плотный слой (2,210³ кг/м³) толщиной от 2 – 3 км в районах спокойного, почти горизонтального залегания горных пород до 20 – 30 км в местах, где породы смяты в складки, пронизанные глубокими трещинами.

Осадочный слойна материках не является сплошным: он покрывает сушу лишь на 70 – 80% в среднем на глубину до 5- 10 км. Этот тонкий слой представлен осадочными горными породами, на нем залегает слой почвы. Значения скорости распространения продольных звуковых волн в пределах осадочного слоя изменяется от 1,8 до 5,0 км/с. Погружаясь на глубину, осадочные породы под действием высоких температур и давлений с течением времени превращаются в метаморфические породы. Под этим слоем располагаются магматические породы, образовавшиеся при застывании магмы. На континентах они в основном представлены кислыми породами типагранитов(большая плотность 2,4 – 2,6 кг/ м³ и скоростьV= 5,0 – 6,2 км/с) или гранитогейсов, толщина слоя 10 – 20 км. По направлению к океану они выклиниваются и во многих местах выходят на поверхность. Осадочный и гранитогейсовый слои в основном представлены кремнеземом и глиноземом, поэтому их нередко объединяют в единый сиалический слой.

Под гранитогейсами залегают породы, близкие по физическим свойствам к базальтам, поэтому этот слой называют базальтовым (большая плотность 2,8 – 3,3 кг/ м³ и скоростьV= 6,9 – 7,6 км/с), толщина слоя – 15 25 км и он представляет собой сплошную оболочку. Эти породы образовались в результате застывания магм, метаморфизма осадочных и гранитогейсовых пород. Раздел между гранитным и базальтовым слоями впервые был выявлен в Альпах австрийским геофизиком В. Конрадом и получил его имя.

Океаническая коратоньше материковой, она состоит из 2 основных слоев - осадочного и базальтового, толщиной до 5 км, а в местах рифтовых долин он полностью исчезает.

Между континентальной и океанической корой выделяют переходные зоны мощностью до 25 км. К ним относят геосинклинальные пояса, охватывающие окраинные моря (Берингово, Охотское), островные дуги и глубоководные желоба Восточной Азии, Индонезии, Средиземноморья. Для этих областей весьма характерна сейсмичность и вулканизм.

По изменению сейсмических скоростей на Земле выявлен ряд сферических оболочек и ядро.

Земная кора и верхи мантии объединяются литосферой. Под океанами она углубляется на 50 - 100 км, а под континентами – на 200 – 300 км.

Распределение скорости объемных волн в Земле в целом показано на рис.20.

Рис.20. Распределение скорости продольных и поперечных волн в Земле (по Б. Гутенбергу). V_р– продольные волны, V_s– поперечные волны.

Из рис. видно, что наша планета состоит их 7 зон. Наружная зона Ана нем соответствует земной коре,В– астеносфере, выявленной Б. Гутенбергом. Средняя мантия, или зонаС, выделена Б.Б.Голициным. Граница между зонамиВиСназ. поверхностью Голицина, а граница междуDиЕ– поверхностью Вихерта-Гутенберга. Внешнее ядро Земли – слойЕ. Он выявлен в 1913 г. Б. Гутенбергом, а внутреннее ядро планетыG– в 1936 г. датчанкой И.Леманн.

Под литосферой в верхах мантии (В) на глубинах 50 – 250 км расположена вязкая астеносфера, являющаяся волноводом для сейсмических волн. По слою астеносфере происходит скольжение литосферных плит.

Средняя мантия (С) располагается на глубинах от 400 до 1000 км. Скорость сейсмических колебаний в ней возрастает в 1,35 раза. Зоны В и С состоят из перидотитов.

Нижняя мантия (D) простирается до глубин 2885 км.

В верхней оболочке ядра (зоне Е), располагающейся на глубинах 2885 – 4980 км, резко меняется состав и состояние вещества по сравнению с зоной D. Скорость продольных волн в зоне Е скачком снижается в 1,6 раза, а далее с глубиной постепенно возрастает. Эта оболочка ядра состоит из железоникелевого сплава.Поперечные волны через нее не проходят. Это дает основание полагать, что зона Е находится в жидком состоянии.

В переходной зоне ядра (F) происходит новый фазовый переход вещества. Внутреннее железоникелевое ядро радиусом 1250 км находится в твердом состоянии.

Наблюдается круговорот вещества между земной корой и мантией, поскольку известно, что в отдельных участках Земли ее кора погружается в мантию, а в других – выделяется из нее. Другим фактором, способствующим этому процессу, является вода, циркулирующая в дренажной оболочке Земли между слоями Конрада и Мохо. Вода под действием сил гравитации по порам и трещинам земной суши устремляется вниз, перенося с собой легко растворимые соединения химических элементов (Mg,Ca,Fe). Растворы этих химических элементов достигают мантии с Т_м= 425 – 450⁰С. Здесь соединения тяжелых химических элементов остаются в расплавленной мантии Земли. Пар по порам и трещинам устремляется вверх навстречу воде. Однако пар поднимается вверх не «порожняком», а захватывает кремнекислоту, которая значительно легче растворяется в перегретом паре, чем в воде. Достигая поверхности Конрада с Т_к= 374⁰С, пар начинает конденсироваться в воду, выделяя в осадок кремнекислоту.Одновременно с кремнекислотой к границе Конрада поднимаются калий и радиоактивные элементы. Т.о., из нижней части слоя гранитов вниз уносятся тяжелые химические элементы, а на их место приносятся более легкие. В итоге границы Мохо и Конрада все время опускаются. Это ведет в свою очередь к всплытию континентов.

В земной коре по химическому составу на первом месте стоит кислород (46,6%), а далее идут кремний (25,8%), алюминий (7,7%) железо (6,25%) и др, а для Земли в целом на первое место выходит железо (32%), на второе – кислород (30%), далее идут кремний (15%), магний (14%) и др. Аналогичный состав имеет Венера. На Марсе на первом месте находится кислород (34,1%), а железо – на втором (26,7%).