Фізичні властивості геосфер

 

Відсутність прямих даних про щільність речовини глибинних геосфер Землі обумовлює необхідність використання непрямих, наприклад, сейсмологічних даних.

Із загальних уявлень про механізм розповсюдження сейсмічних хвиль, на перший погляд, виходить, що їх швидкості повинні зростати із збільшенням щільності порід. Але це не так. Більше того, швидкості розповсюдження повздовжніх та поперечних хвиль пов’язані зі щільністю зворотною залежністю. Співставлення змін швидкості хвиль з щільністю показує, що більш щільні породи [3-10] характеризуються більш високою швидкістю хвиль. Це пояснюється тим, що зростання щільності речовини Землі за глибиною супроводжується зростом значень модулів зсуву та всебічного стискування, які призводять до збільшення швидкості хвиль. Особливо значущі зміни модулів в мантії Землі, де відзначається закономірне нарощування швидкості Р і S хвиль та щільності речовини.

Таким чином, сейсмологічні дані, хоча і досить приблизно, можна використовувати для оцінки щільності геосфер Землі. При цьому необхідно враховувати ряд умов:

-відповідне розподілення мас моменту інерції Землі, що спостерігаються відносно осі обертання;

-відповідний розподіл щільності середньому значенню для кори зокрема (2,7 г/см³) і Землі в цілому (5,52 г/см³).

Цим умовам задовольняє ряд розрахункових моделей розподілення щільності речовини Землі за глибиною (рис. 1.6). Відповідно до цих моделей щільність зростає від 7,6 г/см³ на поверхні і до 3,2 г/см³ в підошві кори. В мантії щільність зростає від 3,3 до 5,5 г/см³ у поверхні Віхерта-Гутенберга. Тут вона стрибкоподібно зростає до 10 г/см³ та далі плавно змінюється до 12,6 г/см³ в центрі Землі.

Таким чином, на границі мантії та ядра відзначається стрибкоподібне зростання щільності на 4,5 г/см³. Ймовірні також невеликі стрибкоподібні зміни щільності (на 0,3-0,5 г/см³) в підошві земної кори та підошві шару Гутенберга (410 м). Крім того, ймовірна стрибкоподібна зміна щільності речовини ядра в зоні Г (близько 5100 км).

Застосовуючи цей закон зміни щільності, можна оцінити зміни пружних властивостей речовини Землі за глибиною.

Рисунок 1.6 – Характер зміни густини з глибиною

Отримуємо значення для модуля всебічного стискування: l=[u²_р-(4/3)u²_s]d та модуля зсуву m=u²₃×d. Розрахунки показують, що l зростає від 1×10¹¹ Н/м ² поблизу поверхні Землі до 15×10¹¹ Н/м ² в ядрі. Значення l також зростає від 0,5×10¹¹ до 3,0×10¹¹ Н/м ² в нижніх шарах мантії. Ці значення набагато вищі модулів пружності різних порід та матеріалів при звичайних умовах (для сталі l= 1,8×10¹¹ Н/м ² та m= 0,8×10¹¹ Н/м ²).

Наведені дані про властивості глибинних геосфер дозволяють вважати, що речовині, яка складає мантію Землі, одночасно властиві риси двох агрегатних станів – твердого тіла та рідини.

Коли на речовину мантії діють миттєві сили, то вона веде себе як тверде тіло, при повільно діючих навантаженнях – як гума.

Таким чином, є всі підстави вважати, що Земля в цілому перебуває в стані гідростатичної рівноваги. Зміни тиску за глибиною можна оцінити, виходячи з маси стовпа порід, які залягають вище.

Розрахункові значення тиску залежать від прийнятої моделі розподілення щільності. Але для будь-якої з наведених моделей істинні значення тиску набагато перевищують значення, які отримані експериментальним шляхом. Розрахунки показують, що в підошві земної кори тиск складає близько 1300 МПа, а на границі ядра - близько 140 тис. МПа. Особливо сильний тиск в ядрі Землі – до 3,5¸4×10⁵ МПа, тут він сумірний лише з тиском, який короткочасно виникає поблизу фронту ударної хвилі при ядерному вибуху.

Цікавими є зміни в Землі ще одного параметру – прискорення вільного падіння, визначення якого також пов’язане з прийнятою моделлю розподілення щільності. На поверхні Землі середнє значення дорівнює 982 см², або 982 Гал. За розрахунками, за глибиною значення цього параметру збільшується 1081 Гал (за іншими данними до 1070 Гал) на поверхні ядра, а потім різко спадає до нуля в центрі Землі.