Сейсмологічна модель Землі

Сильний землетрус породжує об'ємні хвилі, які пронизують тіло планети, як би освітлюючи його зсередини. Подібно променю світла сейсмічний промінь підкоряється законам оптичної оптики, законам віддзеркалення і заломлення. Зокрема, закон заломлення (закон Снелліуса) виглядає таким чином

(А.1)

де α – кут падіння на плоску межу розділу одного середовища із швидкістю розповсюдження v ₁ з іншим середовищем, де швидкість розповсюдження v ₂. (рис.А1). Через β тут позначений кут заломлення: кут, який утворюється між сейсмічним променем і нормаллю до поверхні розділу після проходження його через цю поверхню. Цей закон перш за все говорить про те, що сейсмічне проміння в тілі планети не прямі лінії, а викривляються залежно від швидкості розповсюдження, тобто від пружних властивостей порід, з яких складена Земля.

Рисунок А.1 – Закон Снеулліса

Для ідентифікації траєкторій сейсмічного проміння застосовуються наступні позначення:

Р – повздовжня хвиля;

S – поперечна хвиля;

с – хвиля, відображена від зовнішнього ядра;

К – хвиля, що пройшла через зовнішнє ядро;

і – відображена від внутрішнього ядра;

І – повздовжня хвиля, що пройшла через внутрішнє ядро;

J – поперечна хвиля, що пройшла через внутрішнє ядро.

Наприклад, позначення хвилі РК і КР говорить про те, що дана повздовжня хвиля пройшла через зовнішнє, рідке ядро, відобразилася від внутрішнього ядра, потім знову пройшла через рідке ядро і вийшла як повздовжня хвиля. При перетині поверхні розділу або віддзеркаленні від неї тип хвилі може помінятися: з повздовжньої вона може стати поперечною і навпаки. Можливі варіанти: SS, SP, PcS і т.д.

Ядро Землі вперше сейсмологи знайшли в 1906 році, а Гутенбергу в 1914 році вдалося визначити глибину його залягання (2885 км). Межа розділу зовнішнього ядра характерна тим, що на ній різко падає швидкість повздовжньої хвилі від 13,6 км/с до 8,1 км/с. Поперечна хвиля взагалі через зовнішнє ядро не проходить, що говорить про те, що воно рідке. Тверде, внутрішнє ядро знайшла Леман (Данія) в 1936 році. Вона показала, що воно розташовано на глибині приблизно рівною 5000 км (рис.А2).

Рисунок А.2 – Схема будови ядра

Нарешті, в 1909 році югославський вчений Мохоровичич знайшов різке зростання швидкостей сейсмічних хвиль на глибині близько 35 км. Цю межу стали вважати межею земної кори або межею Мохо. В океані вона розташована ближче до поверхні землі на глибині 10 – 15 км і навіть ближче, в гірських районах, навпаки, йде углиб до 50 – 80 км.

В сучасному уявленні Земля – це складний багатошаровий об’єкт. Кожний з шарів має також достатньо складну структуру, яка вивчається різними геофізичними методами (сейсмічними, магнітними, гравітаційними і ін.). Зупинимося на одній, найпоширенішої моделі Землі. Це - модель Буллена (таблиця 1).

Таблиця А.1 – Будова Землі (за Булленом)

Зона	Найменування шару	Глибина (км)	Густина (кг/м3)
А	Кора
В	Силікати
С	Фазові переходи
D	Нижня мантія
D`	Перехідна зона
Е	Зовнішнє ядро		1000 – 1100
F	Перехідна зона
G	Внутрішнє ядро

Зони В і Сутворюють так звану верхню мантію, а зона D – нижню мантію. Мантія Землі складається з силікатних порід. У міру збільшення тиску і температури в речовині відбуваються фазові переходи: певні види порід з твердої фази переходять в рідку. Такі фазові переходи відзначені в зоні С і в зоні D'. Причому в останньому випадку весь метал виплавляється і зовнішнє ядро (зона Е) цілком складається з розплавленого металу. Через цю зону поперечні хвилі не проходять, оскільки модуль зсуву рівний нулю. В перехідній зоні F рідка фаза металу перехід в тверду фазу і внутрішнє ядро складається з твердого металу з густиною 1200. Проте вважають, якщо змінити фізичні умови і помістити цей метал в умови “нормальної температури” і тиску, то його густина виявиться рівною 700.

Склад і будова глибинних оболонок Землі в останні десятиріччя продовжують залишатися однією з самих інтригуючих проблем сучасної геології. Число прямих даних про речовину глибинних зон дуже обмежено. В цьому плані особливе місце займає мінеральний агрегат з кімберлітової трубки Лесото (Південна Африка), який розглядається як представник мантійних порід, залягаючих на глибині ~250 км. Керн, піднятий з найглибшої в світі свердловини, пробуреної на Кольському півострові і відмітка, що досягла, 12 262 м, істотно розширив наукові уявлення про глибинні горизонти земної кори - тонкій приповерхневій плівці земної кулі. Разом з тим новітні дані геофізики і експериментів, пов’язаних з дослідженням структурних перетворень мінералів, вже зараз дозволяють змоделювати багато особливостей будови, складу і процесів, що відбуваються в глибинах Землі, знання яких сприяє рішенню таких ключових проблем сучасного природознавства, як формування і еволюція планети, динаміка земної кори і мантії, джерела мінеральних ресурсів, оцінка ризику поховання небезпечних відходів на великих глибинах, енергетичні ресурси Землі і інщі (таблиця 2).

Таблиця А.2 - Хімічний склад Землі