Сейсмологическая модель Земли

Сильное землетрясение порождает объемные волны, которые пронизывают тело планеты, как бы освещая его изнутри. Подобно лучу света сейсмический луч подчиняется законам оптической оптики, законам отражения и преломления. В частности, закон преломления (закон Снеллиуса) выглядит следующим образом

(2.4)

где -- угол падения на плоскую границу раздела одной среды со скоростью распространения с другой средой, где скорость распространения (рис.1). Через здесь обозначен угол преломления: угол, который образуется между сейсмическим лучом и нормалью к поверхности раздела после прохождения его через эту поверхность. Этот закон прежде всего говорит о том, что сейсмические лучи в теле планеты не прямые линии, а искривляются в зависимости от скорости распространения, то есть от упругих свойств пород, из которых сложена Земля.

Для идентификации траекторий сейсмических лучей применяются следующие обозначения:

-- продольная волна,

-- поперечная волна,

-- волна, отраженная от внешнего ядра,

- волна, прошедшая через внешнее ядро,

-- отраженная от внутреннего ядра,

-- продольная волна, прошедшая через внутреннее ядро,

-- поперечная волна, прошедшая через внутреннее ядро.

Например, обозначение волны PКiKP говорит о том, что данная продольная волна прошла через внешнее, жидкое ядро, отразилась от внутреннего ядра, затем снова прошла через жидкое ядро и вышла как продольная волна. При пересечении поверхности раздела или отражении от нее тип волны может поменяться: из продольной она может стать поперечной и наоборот. Возможны варианты: SS, SP, PcS и т.д.

Рис. 2.

Ядро Земли впервые сейсмологи обнаружили в 1906 году, а Гутенбергу в 1914 году удалось определить глубину его залегания (2885 км). Граница раздела внешнего ядра характерна тем, что на ней резко падает скорость продольной волны от 13,6 км/с до 8,1 км/с. Поперечная волна вообще через внешнее ядро не проходит, что говорит о том, что оно жидкое. Твердое, внутреннее ядро обнаружила Леман (Дания) в 1936 году. Она показала, что оно расположено на глубине приблизительно равной 5000 км (рис.2).

Наконец, в 1909 году югославский ученый Мохоровичич обнаружил резкое возрастание скоростей сейсмических волн на глубине около 35 км. Эту границу стали считать границей земной коры или границей Мохо. В океане она расположена ближе к поверхности земли на глубине 10-15 км и даже ближе, в горных районах, наоборот, уходит вглубь до 50-80 км.

В современном представлении Земля -- это сложный многослоевой объект. Каждый из слоев имеет также достаточно сложную структуру, которая изучается различными геофизическими методами (сейсмическими, магнитными, гравитационными и др.). Остановимся на одной, наиболее распространенной модели Земли. Это -- модель Буллена.

Зоны В и С образуют так называемую верхнюю мантию, а зона D -- нижнюю мантию. Мантия Земли состоит из силикатных пород. По мере увеличения давления и температуры в веществе происходят фазовые переходы: определенные виды пород из твердой фазы переходят в жидкую. Такие фазовые переходы отмечены в зоне С и в зоне D'. Причем в последнем случае весь металл выплавляется и внешнее ядро (зона Е) целиком состоит из расплавленного металла. Через эту зону поперечные волны не проходят, так как модуль сдвига равен нулю. В переходной зоне F жидкая фаза металла переход в твердую фазу и внутреннее ядро состоит из твердого металла с плотностью 12. Однако полагают, если изменить физические условия и поместить этот металл в условия "нормальной" температуры и давления, то его плотность окажется равной 7.