Полная версия научной работы 293 КБ

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ ПО ГРАВИМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Дременко В.В., Андреева Н.В.
БГТУ имени В.Г.Шухова
EARTH'S INTERNAL STRUCTURE FROM GRAVITY DATA
Dremchenko V.V., Andreeva N.V.
BSTU behalf V.G.Shuckov
Земля имеет в первом грубом приближении форму шара (экваториальный диаметр составляет
12 754 км, а полярный — около 12 711 км) и состоит из нескольких оболочек. Эти слои могут
быть определены либо их химическими или их реологическими свойствами. В центре
расположено ядро Земли с радиусом около 1250 км, которое в основном состоит из железа и
никеля. Далее идёт жидкая часть ядра Земли (состоящее в основном из железа) с толщиной
около 2200 км. Потом 2900 км вязкой мантии, состоящей из силикатов и оксидов, а сверху
довольно тонкая, твёрдая земная кора. Она также состоит из силикатов и оксидов, но
обогащена элементами, которые не встречаются в мантийных породах. Научное понимание
внутренней структуры Земли основывается на наблюдениях топографии и батиметрии,
наблюдения горных пород в обнажениях, образцах поднятых на поверхность с больших глубин
в результате вулканической активности, анализе сейсмических волн, которые проходят сквозь
Землю, измерении гравитации областей Земли и экспериментах с кристаллическими твёрдыми
телами при давлениях и температурах, характерных для глубоких недр Земли[1].
Из курса гравиметрии известно, что Земля неплохо изучена в гравиметрическом отношении:
~60% её поверхности покрыта гравиметрической съемкой. Из 64800 одноградусных трапеций,
на которые разбита поверхность Земли, в северном полушарии имеют значения «g» 25978
трапеций из 32400, что составляет 80%, а в южном – 13428, т.е. только 41%. Наиболее изучены
территории Европы, США, Канады, Австралии. На территорию России составлена
гравиметрическая карта в редукции Буге в масштабе 1:200000, – (∆gБ). Применение
гравиметрического метода основано на том, что А.С.Т., освобожденные от действия масс
наружного рельефа (аномалии Буге) зависит только от притяжения внутренних возмущающих
масс. Чем плотнее породы и больше объём их вмещающий, а также – меньше глубина их
залегания, тем больше гравитационные аномалии и наоборот. Аномалия силы тяжести
редукции Буге – разность между измеренным значением силы тяжести «g» и его теоретическим
(нормальным) – «γ» на физической поверхности Земли[2].
Плотностная характеристика земли
Среднюю плотность Земли можно высчитать по формуле:
Поскольку Pk <Pz очевидно, что в Земле, а плотность вещества внутри её значительно
превышает средне езначение. Плотность веществ на Земле варьирует в широких пределах: от
0.53 г/см3 (Li) до 22.5 г/см3 (Os). При этом плотность (Al – 2.7; Fe – 7.88; Cu – 8.93; Au – 19.3;
Pt – 21.5) г/см3 . Булленом и Буллардом, – учёными – геофизиками США, были рассчитаны
плотностные модели Земли с учетом толщины и глубины её слоев, определенных по
сейсмологическим данным. На рисунке 1 и в таблице 1 приведены параметры этой модели:
Рис.1 Слои земной поверхности[2]
Табл.1 Параметры плотностной модели Земли[2]
По вопросу о веществе слоев Земли имеется ряд гипотез. Так Ферсман А.Е. и др. увеличение
плотности вещества к центру Земли связывают с изменением химического состава от
преимущественно силикатного в Коре и Мантии до железо - никилиевого в ядре. В.В. Белоусов
и др. объясняют зональное строение Земли, главных образом изменение агрегатного состояния
вещества и наличием фазовых переходов на границах слоев. Б.А. Андреев указывает на
возможность влияния обоих факторов[3].
Толщина земной коры и ее типы
Изучая гравиметрические карты в редукции Буге, учёные заметили, что на континентах они
преимущественно отрицательные и довольно значительные по величине – до (-550) мГал
(Тибет, Памир). А акваториям океанов соответствуют положительные значения ∆gБ
интенсивностью до (+300 - +400) мГал. Такая зависимость позволила учёным определить
толщину Земной коры по аномалиям ∆gБ. В нашей стране этим занималась Р.М. Деменицкая,
которая получила формулу связи между Нз.к. и ∆gБ и НЗ.К. и высотами рельефа в виде
,
где
Н – высота рельефа над уровнем моря: (+Н) – для суши, (-Н) – для моря. [См. Д.Г. Успенский
«Гравиразведка»](5). При выводе формулы были использованы ∆gБ в двухстах точках,
расположенных в различных областях Земного шара. Толщина Земной Коры в этих точках
изменялась от 4 до 78 км. Вариации ∆gБ позволили классифицировать земную кору по
типам(табл. 2)[3]
Табл.2 Типы земной коры, их характеристика[3]
Изостазия
Изучение строения Земной Коры методами гравиметрии тесно связано с теорией
ИЗОСТАЗИИ, теорией. учитывающей действия силы тяжести и силы гидростатического
давления. Термин «Изостазия» был предложен в 1889 году геологом Ч. Деттоном. Слово
изостазия происходит от 2х греческих слов – равный, – давление, что означает равное
давление или равное состояние. Если бы Земная поверхность всюду совпадала с геоидом, а
Земля, вплоть до поверхности, состояла бы из однородных (по плотности) концентрических
слоев, то, очевидно, принцип изостазии выполнялся бы автоматически. В действительности
же, как уже было отмечено, Земная Кора неоднородна по плотности и по толщине (2 типа
Земной Коры), Земная поверхность имеет значительные неровности в виде гор (гора Эверест –
Джомолунгма – 8844.43 м, 2005 год, GPS) и впадин в океанах глубиной свыше 9 км
(Марианская впадина 11047 м, 1988), Иордания – тектоническая впадина ГХОР находится на
395 м ниже уровня моря. В ней находится «Мертвое море» соль – 260 – 310 ‰ (промиллей).
Теория равновесия Земной Коры (изостазия) возникла первоначально для объяснения факта
расхождения результатов наблюдённых У.О.Л. с вычисленными в предгорных областях.
Впервые это обнаружили Буге и Ликондамин (около 1740 г), когда они, определив У.О.Л. по
обе стороны г. Чимборасо в Перу, нашли, что вычисленные У.О.Л. больше наблюдённых. Для
объяснения этого они предположили существование пустот под горой. Но затем этот факт был
забыт[4]. Спустя 100 лет ( в 1855 г) геодезисты снова натолкнулись на такое же явление.
Выполняя обработку рядов триангуляции в Индии они считали, что на севере, где находятся
Гималаи и на юге – глубины Индийского океана, – должны наблюдаться больше У.О. Но
результаты измерений разошлись с вычислениями, выполненными Дж. Праттом(Таблица 3)
Табл.3 Уклонения отвеса от вертикали[4]
Из таблицы видно, что измеренные значения намного меньше рассчитанных. Для объяснения
этого факта Пратт предположил, что под Гималаями существует недостаток масс.
Ознакомившись с результатами вычислений Пратта, Г. Эри (1855 г) высказал предположение,
по которому под Земной Корой находится «тяжелая лава». Горные хребты – это утолщение
Земной Коры, которые выступают не только вверх, но и вниз, внутрь лавы. Вместо
вытесненного вещества «лавы» находится вещество Земной Коры (корни гор) Pз.к. имеющие
меньшую плотность чем «лава» - Ρм. Отрицательная разность (∆=Pз.к.- Pм) вызывает
уменьшение силы тяжести в точке.
Модель изостазии Пратта:
1. На некоторой (~ одинаковой) глубине находится поверхность
равного давления (изостатическая)
2. Блок Земной Коры, имеющий большую высоту над уровнем
моря – имеет меньшую плотность;
3. Плотность Земной Коры от уровня моря до глубины
компенсации принимается равной ρ0=2.67 г/см3;
4. Для каждого участка Земной Коры соблюдаются условия: Для
суши:
Для моря:
Рис.2 Схема изостазии[4]
5. Глубина поверхности изостатической компенсации ( Т) определяется приближением под
условием (γ-g)i = min, Т – находится в пределе 100 – 120 км. ≈113.7 км. Изостатическое
равновесие наступает для структур, заключенных в круге радиусом около 100 км (~10х10) –
региональная изостазия[4].
Рис.2[4]
Литература:
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D
1%83%D1%80%D0%B0_%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8;
2. http://lib.ssga.ru/fulltext/UMK/120101/9%20семестр/Физика%20Земли/120101%20Лекци
и%20Физика%20Земли%202011.pdf.
3. Ботт М. Внутреннее строение Земли. М., Мир, 1974. 374 с.
4.
Захаров В.С., Смирнов В.Б. Лекции по физике Земли. Учебное пособие. М.: ООО «ИПЦ
„Маска“». 2010. 264 с.