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. (шахты имеют глубину до 3 км, глубинные скважины – до 10 км). Эти задачи в настоящее время решаются в основном по регистрации продольных сейсмических волн, возбуждаемых землетрясениями, взрывами атомных бомб и обычными мощными взрывами и т.д. (t_{прохождения Земли} 20 мин). 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.

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

Материковая кора имеет 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 Памиром, Гиндукушем (более 60 км), Гималаями (около 75 – 80 км) и Андами (75 км). Обычно самые высокие горные хребты имеют самые глубокие корни в земных недрах.

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 (платформы) до 20 – 30 км в местах, где породы смяты в складки, пронизанные глубокими трещинами (геосинклинальные области).

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. Наличие ряда слоев в верхах мантии связано с фазовыми переходами вещества, изменениями их Т и плотности.

Под литосферой в верхах мантии (В) на глубинах 50 – 250 км расположена вязкая астеносфера, являющаяся волноводом для сейсмических волн. По слою астеносферы, как полагают многие тектонисты и геофизики, происходит скольжение литосферных плит. До 60 –х годов считалось, что астеносфера однородна по мощности. Однако в дальнейшем при более детальных исследованиях было установлено, что она не везде проявляется, а в некоторых местах уходит на глубины 400 – 700 км.

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, по мнению геологов, состоят из перидотитов.

Нижняя мантия (D) простирается до глубин 2885 км. Существенного изменения вещества, по мнению геологов, в ней не происходит. Однако силикатов здесь больше, чем железа и магния.

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, по мнению многих исследователей, 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.

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%). На Луне первые три места занимают кислород (42%), кремний (19,2%) и магний (17,8%), а железо – четвертое (11,5%).

В каждой из оболочек-зон распределения плотности вещества, давления и ускорения силы тяжести известны достаточно точно (описываются с помощью уравнения Адамса-Вильямсона и др), распределение же Т в недрах Земли еще определено неточно.

Американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 г предложили использовать для определения плотности сейсмический параметр Ф = К/ , который выражается через скорость распространения продольных и поперечных волн следующим образом:

Ф = К/ = V_p² – (4/3)V_s² , где К – модуль сжатия, равный К = Р, где Р и  - соответствующие приращения давления и плотности. При известном Ф можно определить закон приращения плотности при небольших приращениях давления: = РФ.

Теперь для решения поставленной задачи (определение плотности) надо знать закон нарастания давления в недрах Земли. При гидростатическом давлении приращение Р при увеличении глубины на l равно весу вещества этого слоя, приходящегося на единицу площади: Р = gl

Из этих формул получим уравнение Адамса-Вильямса: =gl/Ф, позволяющее определить детальное распределение плотности в недрах Земли и соответственно получить реальную плотностную модель Земли. При решении (1) вместе с распределением (l) автоматически можно определить зависимость ускорения силы тяжести от расстояния от поверхности Земли g(l).

Получили, что давление изменяется как непрерывная функция, возрастающая с глубиной от Р_атм на поверхности Земли до 1,310⁶ атм. На границе внешнего ядра и 410⁶ атм. в центре Земли.

Зная закон распределения плотности с глубиной, зависимость силы тяжести определяют по формуле :

q() = (4f/R²)₀ (r)r² dr, где R – расстояние от центра Земли до измеряемого уровня, f – гравитационная постоянная. q – медленно возрастает до границы внешнего ядра с 980 до 998 см/с², на границе испытывает резкий скачок до 1037 см/с² и затем быстро уменьшается к центру Земли, где оно равно нулю.

С глубиной изменяется температура Земли, причем градиент Т равен:  = dT/dr = - 0,14 K/км.