Сейсмічна модель будови Землі

Широко відома модель внутрішньої будови Землі (розподіл її на ядро, мантію і земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джеффрисом і Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вирішальним чинником при цьому виявилося виявлення різкого зниження швидкості проходження сейсмічних хвиль усередині земної кулі на глибині 2900 км при радіусі планети 6371 км. Швидкість проходження поперечних сейсмічних хвиль безпосередньо над вказаним рубежем рівна 13,6 км/с, а під ним - 8,1 км/с. Це і є межа мантії і ядра.

Відповідно радіус ядра складає 3471 км. Верхньою межею мантії служить сейсмічний розділ Мохоровичича (Мохо, М), виділений югославським сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) ще в 1909 році. Він відділяє земну кору від мантії. На цьому рубежі швидкості повздовжніх хвиль, що пройшли через земну кору, стрибкоподібно збільшуються з 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, проте відбувається це на різних глибинних рівнях. Під континентами глибина розділу М (тобто підошви земної кори) складає перші десятки кілометрів, причому під деякими гірськими спорудами (Памір, Анди) може досягати 60 км, тоді як під океанськими западинами, включаючи і товщу води, глибина рівна лише 10-12 км. Взагалі ж земна кора в цій схемі вимальовується як тонка шкарлупа, тоді як мантія розповсюджується в глибину на 45% земного радіусу.

Але в середині XX століття до науки увійшли уявлення про більш дробову глибинну будову Землі. На підставі нових сейсмологічних даних виявилося можливим розділити ядро на внутрішнє і зовнішнє, а мантію - на нижню і верхню (Рис. А3). Ця модель, що отримала широке розповсюдження, використовується і в даний час. Початок їй поклав австралійський сейсмолог К.Е. Буллен, що запропонував на початку 40-х років схему поділу Землі на зони, які позначив буквами: А - земна кора, В - зона в інтервалі глибин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, D` - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Землі). Ці зони відрізняються сейсмічними характеристиками. Пізніше зону D він розділив на зони D' (984-2700 км) і D`` (2700-2900 км). В даний час ця схема значно видозмінена і лише шар D`` широко використовується в літературі. Його головна характеристика – зменшення градієнтів сейсмічних швидкостей в порівнянні з вищерозміщеною областю мантії.

Внутрішнє ядро, що має радіус 1225 км, тверде і володіє великою густиною - 12500 кг/м³. Зовнішнє ядро рідке, його густина 10000 кг/м³. На межі ядра і мантії наголошується різкий стрибок не тільки в швидкості повздовжніх хвиль, але і в густині (рис. 1). В мантії вона знижується до 5500 кг/м³. Шар D``, що знаходиться в безпосередньому зіткненні із зовнішнім ядром, випробовує його вплив, оскільки температури в ядрі значно перевищують температури мантії. Місцями даний шар породжує величезні, направлені до поверхні Землі крізь мантійні тепломасопотоки, звані плюмами. Вони можуть виявлятися на планеті у вигляді крупних вулканічних областей, як наприклад, на Гавайських островах, в Ісландії і інших регіонах.

Рисунок А.3 – Схема глибинної будови Землі

Верхня межа шару D`` невизначена; її рівень від поверхні ядра може варіювати від 200 до 500 км і більш. Таким чином, можна уявити, що даний шар відображає нерівномірне і різноінтенсивне надходження енергії ядра в область мантії.

Межею нижньої і верхньої мантії в даній схемі служить сейсмічний розділ, що лежить на глибині 670 км. Він має глобальне розповсюдження і обґрунтовується стрибком сейсмічних швидкостей у бік їх збільшення, а також зростанням густини речовини нижньої мантії. Цей розділ є також і межею змін мінерального складу порід в мантії.

Таким чином, нижня мантія, укладена між глибинами 670 і 2900 км, тягнеться по радіусу Землі на 2230 км. Верхня мантія має добре фіксований внутрішній сейсмічний розділ, що проходить на глибині 410 км. Під час переходу цієї межі зверху вниз сейсмічні швидкості різко зростають. Тут, як і на нижній межі верхньої мантії, відбуваються істотні мінеральні перетворення.

Верхню частину верхньої мантії і земну кору злито виділяють як літосферу, є верхньою твердою оболонкою Землі, в протилежність гідросфері і атмосфері. Дякуючи теорій тектоніки літосферних плит термін “літосфера” отримав широке розповсюдження. Теорія припускає рух плит по астеносфері – розм’якшеному, частково, можливо, рідкому глибинному шарі зниженої в’язкості. Проте сейсмологія не показує витриманої в просторі астеносфери. Для багатьох областей виявлено декілька астеносферних шарів, розташованих по вертикалі, а також уривчастість їх по горизонталі. Особливо безумовно їх чергування фіксується в. межах континентів, де глибина залягання астеносферних шарів (лінз) змінюється від 100 км до багатьох сотень. Під океанськими абіссальними западинами астеносферний шар лежить на глибинах 70-80 км і менш. Відповідно нижня межа літосфери фактично є невизначеною, а це створює великі труднощі для теорії кінематики літосферних плит, що і наголошується багатьма дослідниками.

Такі основи уявлень про будову Землі, що склалися до теперішнього часу. Далі звернемося до новітніх даних відносно глибинних сейсмічних границь найважливішу інформацію про внутрішню будову планети.

В рамках поданих моделей можливо зробити наступні висновки:

Згідно теорії тектоніки літосферних плит головним планетарним процесом, який керує всією еволюцією Землі є гравітаційна диференціація земної речовини, яка зумовлює виділення в центрі Землі щільного окисно-залізного ядра і виникнення в її силікатній оболонці хімічної конвекції. Під впливом мантійних конвективних течій верхня жорстка оболонка Землі - її літосфера - стає розбитою на ряд плит, які переміщуються по поверхні астеносфери. В тих місцях, де плити розходяться, утворюється нова літосфера з океанічною корою на поверхні, і виникають серединно-океанічні хребти з рифовими зонами на їх гребенях.

В місцях, де плити сходяться і насуваються одна на одну відбувається “спряження” структури глибоководних жолобів з острівними дугами і активними окраїнами континентів. В цих зонах насуву формується континентальна кора, а при стику острівних дуг і активних континентальних окраїн з пасивними окраїнами утворюються складчасті пояси. Аналіз відносного розподілу по площі висот суші і глибин моря дозволив Вагенеру висунути гіпотезу про те, що склад порід, які складають океани та континенти відрізняються. Материки складені більш легкими, переважно граніто-гнейсовими породами, в складі яких переважають кремній та алюміній, дно океану складено більш важкими речовинами, в яких переважає кремній та магній.

Завдяки палеомагнітним даним тепер відомо, що розкол Пангеї стався приблизно 160-170 млн.р тому, коли Африка відкололася від Північної Америки, а 60-65 млн.р.тому розпалася Лавразія і Гондвана.

Як показують розрахунки, переміщення літосферних плит буде продовжуватися ще близько 1 млрд.років. Таким чином, всі процеси еволюції літосфери на границях плит взаємопов’язані в єдину систему, фізичну основу якої складають крупно масштабна мантійна конвекція, жорсткість і міцність літосфери.

Додаток Б