big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Внутреннее строение земли

Еще до Октябрьской революции многие крупные русские ученые уделяли внимание проблемам внутреннего строения Земли. Уже тогда ими были выдвинуты фундаментальные идеи, получившие дальнейшее развитие у ряда советских и зарубежных ученых. Основное место в этих исследованиях занимают относящиеся к 1910-м годам труды Б. Б. Голицына — одного из основателей научной сейсмологии. Одним из важных результатов, полученных Голициным, было обнаружение аномального поведения сейсмических волн на глубине около 500 км, чем было впервые установлено существование переходного слоя в мантии Земли — слоя ключевого для понимания ее физики и химии. К настоящему времени выяснилось, что этот слой лежит в пределах 400— 900 км. Его называют иногда «слоем Голицына».

К этому же периоду относится начало деятельности В. И. Вернадского — крупнейшего русского естествоиспытателя, одного из основоположников геохимии, труды которого поставили проблему состава земных глубин на прочную научную основу. Л. С. Лейбензоном было заложено новое направление изучения механических свойств Земли на основе наблюдений за земными приливами. Им впервые с достаточной убедительностью было показано, что Земля является твердой до глубины, равной половине радиуса планеты, и только ядро Земли может обладать свойствами жидкого тела.

После Великой Октябрьской революции в СССР в первую очередь стали развертываться прикладные геофизические исследования с целью изучения природных ресурсов страны. В 30-х годах уже появляются важные исследования в области теоретической геофизики. В первую очередь отметим работы по динамике упругих волн. В. И. Смирнова и С. Л. Соболева, а также исследования по термике Земли В. Г. Хлопина и А. Н. Тихонова. В 1939 г. В. Н. Лодочников выдвигает гипотезу о металлизации силикатов в условиях земного ядра. Эта гипотеза впоследствии детализировалась английским геофизиком В. Рамзеем и известна как гипотеза Лодочникова — Рамзея. Наряду с развитием теоретических исследований, в это время все более интенсивно проводятся и экспериментальные геофизические исследования земных глубин, процессов и движений в недрах Земли. Именно изучению этих движений и были посвящены наклономерные исследования, поставленные В. Ф. Бончковским.

В первые же годы после Великой Отечественной войны наметился значительный прогресс в исследовании Земли в целом. Так, в 1938 г. О. Ю. Шмидт организует Институт теоретической геофизики (впоследствии Институт физики Земли) — основной центр исследований внутреннего строения Земли в СССР. В 1944 г. О. Ю. Шмидт выдвигает прогрессивную гипотезу «холодного» происхождения Земли из газопылевого облака, которая легла в основу многих теоретических исследований по геофизике, геохимии и геологии.

В 1947 г. Я. И. Френкель формулирует гипотезу происхождения магнитного поля Земли. Она основана на предположении наличия магнитогидродинамических явлений в проводящем жидком ядре Земли. Генерация магнитного поля Земли, согласно гипотезе, происходит по принципу действия динамомашин с самовозбуждением. Значение этой гипотезы особенно важно в связи с тем, что к этому времени все ранее существовавшие объяснения происхождения магнитного поля Земли оказались несостоятельными.

С начала 50-х годов в области исследований внутреннего строения Земли постепенно происходит значительный качественный сдвиг. В геофизику все более проникают новейшие методы и достижения экспериментальной и теоретической физики. Создаются специальные лаборатории по физике высоких давлений с геофизической направленностью исследований. Сейчас весь диапазон давлений и температур, соответствующих глубинам Земли вплоть до ее центра, перекрыт лабораторными экспериментами. Так, в динамических исследованиях с помощью ударных волн достигнуты условия, соответствующие земному ядру, а исследования при статических нагрузках позволяют изучать вещество при условиях, существующих на глубинах 600—800 км. Все это позволило значительно конкретизировать сведения о внутреннем строении Земли.

Одним из интереснейших результатов в этом направлении была экспериментальная проверка гипотезы металлизации силикатов. Экспериментальные исследования при сверхвысоких давлениях, которые проводились с конца 50-х годов Л. В. Альтшулером с сотрудниками, не обнаружили металлизации силикатов вплоть до давлений в 5 млн. атм, т. е. больших, чем в центре Земли. Тем самым гипотеза металлизированного ядра поставлена под большое сомнение. Другим важнейшим результатом геофизических исследований при давлении до 100—150 тыс. атм и температурах 1000—2000° явился синтез высокоплотной модификации кварца (плотность — 2,65 г/см3, плотность новой модификации — 4,35 г/см3). Она была получена молодыми советскими учеными С. М. Стишовым и С. В. Поповой в лаборатории Л. Ф. Верещагина. Значение этого открытия определяется тем, что кварц является одним из главных породообразующих минералов.

Широким фронтом изучаются также другие минералы и горные породы в условиях высоких давлений и температур с целью выяснения минералогического состава различных оболочек Земли. Эти и другие экспериментальные работы представляют наибольший интерес в сочетании с теоретическими исследованиями путем приложения методов физики твердого тела к геофизике. В последние годы по инициативе и под руководством А. П. Виноградова достигнуты большие успехи по физико-химическому объяснению образования земной коры из верхней мантии по принципу зонной плавки, при которой легкие и легкоплавкие вещества вытесняются из мантии. Большое значение в проблеме кора — оболочка призван сыграть проект сверхглубинного бурения. По этому проекту земная кора будет пробурена до верхов мантии, что, естественно, даст совершенно новый экспериментальный материал. За последнее десятилетие получены многочисленные экспериментальные доказательства существования несколько ниже земной коры ослабленного слоя с пониженной вязкостью (волновода), к которому приурочены очаги первичного питания вулканов. Этот слой также играет большую роль в проблеме изостатической компенсации земной коры.

Начиная с 50-х годов много внимания уделялось теоретической оценке физических параметров оболочки Земли с позиций физики высоких давлений, причем использовались и собственно геофизические наблюдения. В результате в настоящее время мы можем уверенно ориентироваться в значении и изменении с глубиной таких величин, как коэффициенты теплового расширения, теплоемкости, теплопроводность, электропроводность и т. д. В особенности большую роль сыграло привлечение методов физики твердого тела для оценки вязкости земных недр. Несмотря на имеющиеся неопределенности, мы сейчас уже можем говорить об изменении этого важнейшего механического параметра в мантии Земли в весьма широких пределах.

Значительное внимание уделяется исследованию температуры недр Земли и ее термической истории. Сейчас можно считать установленными основные черты распределения температуры с глубиной. Детальное же ее распределение в этом направлении все еще представляет важнейшую нерешенную геофизическую проблему.

Интересные результаты получены по проблеме земного ядра — наименее изученной области нашей планеты. Основными достижениями здесь можно считать, во-первых, несомненное доказательство жидкого состояния наружной, большей части земного ядра, имеющего достаточно низкую вязкость, что следует из наблюдений за скоростями и поглощением сейсмических волн, из данных о собственных колебаниях Земли и, наконец, из исследования приливов в теле Земли и нутации земной оси; во-вторых, установление того факта, что земное ядро не может состоять из чистого железа или сплава железа с никелем. Поэтому были привлечены исследования сплавов железа с более легкими веществами. Из изученных в этом направлении сплавов пока наиболее близким по свойствам к земному ядру оказался сплав из 80% железа с 20% кремния.

В самое последнее время открылись новые возможности в изучении свойств земных недр. Это произошло благодаря экспериментальным исследованиям собственных колебаний Земли и длиннопериодных поверхностных волн. Их результаты позволяют определить значение вязкости земных недр как функцию глубины, а также уточнить распределение упругих свойств и плотности внутри Земли.

В связи с достижениями в области изучения космоса исследования по внутреннему строению Земли начинают привлекаться для сравнительного анализа внутреннего строения Луны и других планет. В этой новой сфере геофизической активности советские ученые получили первые результаты.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.