3. Образование и внутреннее строение Земли. Сейсмологический метод и его роль в изучении Земли.

Как только небула начинает поворачиваться вокруг своей оси, в ней возникает сила тяжести. Под воздействием силы тяжести небула должна начать сжиматься - т.е. ее радиус уменьшается. В результате огромный газовый шар будет вращаться все быстрее и быстрее, работая как центрифуга: под действием центробежной силы его экватор вспухает, придавая шару форму все более сплющенного эллипсоида. Затем наступает момент, когда все возрастающая центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения, и от него (экватора) начинает отслаиваться кольцо, а затем, по мере дальнейшего сжатия небулы, еще и еще. Вещество этих вращающихся колец начинает под действием взаимного притяжения его частиц конденсироваться в планеты, от которых, в свою очередь, отрываются их спутники.

Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной, сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые астрономические данные (например - вращение Венеры и Урана в сторону, обратную всем остальным планетам и Солнцу). Однако ближе к концу XIX века, когда было твердо установлено, что температура в недрах нашей планеты чрезвычайно высока (по современным данным - свыше тысячи градусов), большинство ученых стало разделять мнение об изначально горячей Земле - огненном шаре, постепенно остывающем с поверхности. Поиски источника этого раскаленного вещества вполне естественно было начать с Солнца. В начале нашего века астрономы Т.Чемберлен и Ф.Мультон выдвинули, а Дж. Джинс математически обосновал планетезимальную теорию происхождения планет Солнечной системы. Суть ее состоит в том, что некогда поблизости от Солнца ("поблизости" - это по космическом масштабам) прошла другая звезда. При этом взаимное притяжение вырвало из каждой из них по гигантскому протуберанцу звездного вещества, которые, соединившись, составили "межзвездный мост", распавшийся затем на отдельные "капли" - планетезимали. Остывающие планетезимали и дали начало планетам и их спутникам.

Вторая половина нашего века, однако, стала временем возвращения к концепции изначально холодной Земли. Во-первых, нашлись серьезные, чисто астрономические, возражения против планетезимальной теории. Г. Рессел, например, обратил внимание на то простое обстоятельство, что если между Солнцем и проходящей звездой протянется лента из звездного вещества, то ее средняя часть (где притяжение двух светил взаимно уравновешивается) должна будет пребывать в полной неподвижности. И напротив, выяснилось, что некоторые оказавшиеся ошибочными положения Лапласа вполне могут быть откорректированы в рамках дальнейшего развития небулярной теории. (В качестве примера могут быть приведены гипотеза О.Ю. Шмидта - в ней газо-пылевое облако захватывается уже существующим на тот момент Солнцем, или более популярная ныне модель К. фон Вайцзекера; в последней вращающаяся небула представляет собой уже не гомогенный шар, как у Лапласа, а систему разноскоростных вихрей, несколько напоминающую шарикоподшипник. Ныне полагают также, что газ и пыль во вращающейся газо-пылевой туманности ведут себя по разному: пыль собирается в плоский экваториальный диск, а газ образует почти шарообразное облако, густеющее по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль экваториального диска слипается в планеты, а газ под собственной тяжестью разогревается так, что "вспыхивает" в виде Солнца).

Более существенным для победы "холодной" концепции, однако, оказалось другое: был найден убедительный и при этом достаточно простой ответ на вопрос - откуда же берется тепло, разогревшее недра изначально холодной Земли до столь высоких температур? Этих источников тепла, как сейчас полагают, два: энергия распада радиоактивных элементов и гравитационная дифференциация недр. С радиоактивностью все достаточно ясно, да и источник это второстепенный - на него приходится, согласно современным оценкам, не более 15% энергии разогрева. Идея же гравитационной дифференциация недр (ее детальную разработку связывают с именем О.Г. Сорохтина) заключается в следующем.

Известно, что почти девать десятых массы Земли приходится на долю всего четырех химических элементов - кислорода (входящего в состав окислов), кремния, алюминия и железа. Поэтому можно с достаточной уверенностью утверждать, что более "легкие" наружные слои планеты состоят преимущественно из соединений кремния (алюмосиликатов), а "тяжелые" внутренние - железа.

В момент образования Земли ("горячим" или "холодным" способом - для нас сейчас неважно) "тяжелые" и "легкие" элементы и их соединения не могли не быть полностью перемешаны. Дальше, однако, начинается их гравитационная дифференциация: под действием силы тяжести "тяжелые" соединения (железо) "тонут" - опускаются к центру планеты, а "легкие" (кремний) - "всплывают" к ее поверхности. Давайте теперь рассмотрим этот процесс в мысленно вырезанном вертикальном столбе земного вещества, основание которого - центр планеты, а вершина - ее поверхность. "Тонущее" железо постоянно смещает центр тяжести этого столба к его основанию. При этом потенциальная энергия столба (пропорциональная произведению массы тела на высоту его подъема, что в нашем случае составляет расстояние между центром Земли и центром тяжести столба) постоянно уменьшается. Суммарная же энергия Земли, в соответствии с законами сохранения, неизменна; следовательно, теряющаяся в процессе гравитационной дифференциации потенциальная энергия может преобразовываться лишь в кинетическую энергию молекул - то есть выделяться в виде тепла.

Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5-9,5 км, и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50-100 км.

Рис. 1.3. Два типа объемных сейсмических волн (по Б. Болту): а - сжатие - растяжение, б - удвоенная амплитуда.

В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами: сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является сейсмический (греч. <сейсмос> - трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и <искусственных землетрясений>, вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на земную кору.

Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах от приповерхностных (около 10 км) до самых глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана. Возникающие в очаге сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они проходят. В очаге (или фокусе) возникают два главных типа волн:

1. самые быстрые продольные Р-волны (т.е. первичные-primary);

2. более медленные поперечные S-волны (т.е. вторичные - secondary).

П ри распространении Р-волн горные породы испытывают сжатие и растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Р-волны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные S-волны распространяются только в твердых телах, и с их распространением связаны колебания горных пород под прямым углом к направлению распространения волны (рис. 1.3). При прохождении поперечных волн упругие породы подвергаются деформации сдвига и кручения. Кроме того, выделяются поверхностные L-волны (т.е. длинные - long), которые отличаются сложными синусоидальными колебаниями вдоль или около земной поверхности. Регистрация прихода сейсмических волн производится на специальных сейсмических станциях, оборудованных записывающими приборами - сейсмографами, расположенными на разных расстояниях от очага. Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости распространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой.

Р ис. 1.4. Отраженные и преломленные сейсмические волны в различных средах

Реальные скорости сейсмических воли зависят от упругих свойств и плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность и расслоенность Земли. О различных слоях и состоянии веществ, их слагающих, указывают преломленные и отраженные волны от их граничных поверхностей (рис. 1.4).

На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Строение Земли. I – литосфера, II – верхняя мантия, III – нижняя мантия (пунктиром показаны уровни второстепенных разделов), IV – внешнее ядро, V – внутреннее ядро: 1 – земная кора; 2 – астеносфера; 3-4 - переходные слои. Цифры слева – доля геосфер (в % от объема Земли), буквы слева – геосферы по К.Буллену

Выделяют три главные области Земли:

1. Земная кора (слой А) -верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6-7 км под глубокими частями океанов до 35-40 км под равнинными платформенными территориями континентов, до 50-70(75) км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами).

2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия - слой В глубиной до 400 км и С - до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия - слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 - от 2700 до 2900 км.

3. Ядро Земли, подразделяемое: на внешнее ядро - слой Е в пределах глубин 2900-4980 км; переходную оболочку - слой F - от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро - слой G до 6971 км.

По имеющимся данным выделены несколько разделов первого порядка, в которых скорость сейсмических волн резко изменяется. Как видно из данных таблицы, земная кора отделяется от слоя В верхней мантии достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии.

Эта граница названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя F и внутренним ядром Земли (слой G).