Лабораторные и натуральные методы исследования физических свойств земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторные и натуральные методы исследования физических свойств земли

Богунов Р.Е., Андреева Н.В., БГТУ имени В.Г. Шухова, Белгород, Россия

Непосредственное изучение земных недр имеет пока весьма ограниченный характер. Самая глубокая из проектируемых шахт достигает глубины всего 10 км. Ясно, что такой способ исследования недр может дать сведения лишь о самых поверхностных слоях земной коры.

Но существуют различные методы изучения недр Земли. Как известно, период колебания маятника определяется формулой

минерал землетрясение глубина геологический

T = 2р? l / g,

где l - длина маятника; g - ускорение свободного падения, которое зависит от расстояния маятника до центра Земли и от центробежной силы в данной точке земного шара. Так как Земля представляет собой сплюснутый у полюсов шар, или, точнее, сфероид, его полюсы на 21 км ближе к центру Земли, чем точки экватора. Точные измерения показывают, что ускорение свободного падения на северном полюсе составляет 983,234 см/с2, а на экваторе оно на 5,2 см/с2 меньше. Около 2/3 этой величины вызвано вращением Земли, а 1/3 - ее сплюснутостью.

Отсюда следует, что маятник в принципе позволяет изучать форму Земли по величине ускорения свободного падения в разных точках ее поверхности. Этим занимается специальная наука - гравиметрия, в распоряжении которой есть высокоточные маятниковые приборы. Следует заметить, что ныне маятниковый метод применяется лишь для решения некоторых специальных задач. Абсолютные же измерения ускорения g выполняют методом свободного падения тел в вакууме. Так как при таких измерениях используют лазерные интерферометры и кварцевые часы, точность их весьма высока - средняя квадратическая погрешность не превышает 10-7 м/с2.

Гравиметрия позволяет измерить сжатие Земли (1/298,3), а также ее безразмерный момент инерции (0,331), что очень важно для построения модели внутреннего строения нашей планеты. Но гравиметрия способна и на нечто большее. Представьте себе два одинаковых маятника A и B. Под первым из них находятся породы повышенной плотности, например руды, под маятником В - пустота (скажем, пещера). Ясно, что маятник А будет сильнее притягиваться Землей, чем маятник В, а значит, и колебаться быстрее. Таким образом, гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков полезных ископаемых. С их помощью удается выяснить и некоторые детали строения земной коры.

Методами, позволяющими проникнуть в Землю до любых глубин, т. е. иначе говоря, до ее центра, располагает другая наука - сейсмология. Она изучает распространение в твердом теле Земли волн, вызванных землетрясениями - естественными или искусственными. Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений, надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.

Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не вовлечены в колебательное движение. Если фронт волны является плоскостью, то волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, то волна называется сферической. Различают волны двух типов - продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна - это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей, либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.

После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений - тектонические, порожденные смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом. В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр - область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50-100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине - до 800 км!

В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводящем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям. Еще более грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.

Каждый очаг землетрясения - это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит «первые»), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда», т. е. «вторые»). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.

Беда в том, что ни одно ухо не воспринимает это «звучание» Земли, так как все сейсмические колебания рождают инфразвуки. Тем не менее землетрясения позволяют узнать нечто удивительное - строение земных недр, совершенно недоступных иным средствам исследования. Тот факт, что внутри Земли на больших глубинах распространяются упругие волны (рис. 4), свидетельствует о том, что большая часть земного шара находится в твердом состоянии.

Разумеется, не все землетрясения катастрофичны. Ежегодно на земном шаре происходят до 100000 землетрясений. Однако чаще всего они настолько слабы, что их удается зафиксировать лишь с помощью специальных высокоточных приборов - сейсмографов. Сейсмограф состоит из пружины и подвешенного груза с укрепленным на нем пишущим устройством. Если Земля не сотрясается, то на бумаге вращающегося барабана получается ровная линия. Любое, даже слабое землетрясение приводит груз на пружине в колебательное движение и сейсмограмма (запись на барабане) становится волнистой, неровной. Чем мощнее землетрясение, тем сильнее раскачивается груз, и тем больше амплитуда сейсмических колебаний на сейсмограмме. Применяются сейсмографы с магнитной записью и цифровой регистрацией колебаний. Сейсмограммы обрабатываются и анализируются с помощью компьютеров.

Сначала сейсмограф фиксирует продольные волны- Р-волны. Через несколько секунд на сейсмографе появляется запись поперечных волн - S-волн. Их амплитуда больше, чем Р-волн, но так же, как и Р-волны, они быстро затухают. Наконец, последними приходят L-волны (от латинского «лонга» - длинные), т. е. поверхностные волны, вызывающие большие разрушения. По сейсмограмме специалист может узнать расстояние до эпицентра, мощность и другие параметры землетрясения.

В 1964 г. установлена международная сейсмическая 12-балльная шкала интенсивности землетрясений, включающая все мыслимые сотрясения Земли - от неощутимых, регистрируемых только сейсмографами (1 балл), до катастрофических, 12балльных, вызывающих радикальные изменения рельефа (горные обвалы, изменения русел рек, образование огромных трещин в почве).

Во время слабых землетрясений из недр Земли высвобождается сравнительно небольшая энергия (103 Дж). Зато энергия, выделяемая при катастрофических сотрясениях Земли (до 1019Дж), равноценна одновременно взрыву сотен водородных мегатонных бомб! Недаром землетрясения считаются самыми грозными из всех природных явлений, с которыми сталкивается человек. Историки донесли до нас страшные картины древних катастроф. Землетрясение 526 г. на европейском побережье Средиземного моря превратило в груды развалин многие города и уничтожило 200 тыс. человек. В 1556 г. в китайской провинции Шаньси во время мощнейшего землетрясения погибло 830 тыс. человек. Не исключено, что древние предания о гибели Тира и Сидона, Содома и Гоморры отражают реальные события, связанные с сотрясениями Земли.

Если бы Земля была однородной, сейсмические волны распространялись бы внутри нее по прямой. Иначе говоря, сейсмические лучи были бы прямолинейны, а скорость их - одинаковой. Изменения скорости и направления сейсмических лучей внутри Земли указывают на неоднородность земных недр. Факт существования поверхностных поперечных волн свидетельствует о том, что в верхней части Земли имеется по крайней мере один слой (земная кора), отличающийся по плотности от нижележащих слоев.

Детальное исследование поверхностных волн показало, что есть две разновидности, два типа земной коры. Первый тип - континентальный, характеризуется большой мощностью верхнего слоя и малыми скоростями распространения поверхностных волн. Второй тип - океанический, отличается от первого меньшей мощностью и соответственно большей скоростью распространения тех же волн.

В начале XX века удалось доказать, что, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. На этом основании был сделан вывод, что Земля имеет ядро, находящееся в расплавленном состоянии. Позже многолетние исследования сейсмических волн в конце концов позволили представить себе достаточно четко (хотя и неполно) строение недр нашей планеты. Рисунок (см. рис. 4) напоминает своеобразную рентгенограмму Земли, причем роль рентгеновских лучей в данном случае выполняют сейсмические волны. Прежде всего бросается в глаза слоистость Земли - расслоение ее недр на ряд сферических оболочек, различных по физическим и химическим свойствам.

С погружением в недра Земли температура неуклонно возрастает, в среднем с каждым километром на на 15 °С. Расчеты показывают, что на глубине 400 км температура не превышает 1600 °С, но уже на границе ядра она, возможно, достигает 5000 °С. Из недр Земли наружу непрерывно идет тепловой поток, Земля охлаждается, отдавая свое внутреннее тепло во внешнее холодное межпланетное пространство. Изучение этого теплового потока - еще один способ познания внутреннего строения Земли. Иногда говорят о геотермии, как о науке, изучающей эту проблему. Хотя термин этот еще не устоялся, ясно, что величина и другие физические характеристики теплового потока Земли зависят от тепловых свойств пород, слагающих Землю, их толщины, пространственного расположения и других причин.

Изучение в лабораторных условиях физических свойств различных минералов, характерных для геологических пород,- сравнительно новый метод исследования недр Земли. Здесь, в лаборатории, подчас удается моделировать условия земных недр, в первую очередь высокие давления и температуру. Высокоточные измерения в сочетании с современной теорией твердого тела делают лабораторное моделирование весьма важным подспорьем для геофизиков.

Земля обладает магнитным полем, и этот факт обязан объяснить любой ученый, создающий теоретическую модель Земли. Ясно, что характеристики геомагнитного поля, определяемые экспериментально, также следует рассматривать как один из способов изучения земных недр. С этой проблемой тесно связана электропроводность земных недр, игнорировать которую, конечно, нельзя.

Земля отнюдь не изолирована от других небесных тел. В первую очередь она подвержена воздействию Солнца, чья динамическая атмосфера (солнечный ветер и корпускулярные потоки) простираются далеко за орбиту Земли. Можно сказать, что мы живем внутри Солнца и оно воздействует не только на биосферу, но и на другие оболочки Земли. Их реакции на эти воздействия в сильной степени зависят от строения земных недр.

Наконец, уникальная особенность нашей планеты - биосфера - порождение ее эволюции. В настоящую эпоху техногенная деятельность человечества оказывает весьма заметное воздействие на внешние оболочки Земли, включая сюда и земную кору. По всем этим причинам наш дальнейший рассказ о Земле будет касаться не только ее недр, но всей ее истории. Иначе трудно будет понять, как сложился нынешний облик нашей уникальной планеты.

Список литературы

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория упругости, 4 изд., М., 1987; Кольский Г.,

Волны напряжения в твердых телах, пер. с англ., М., 1955;

2. Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957;

3. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба В технике, М., 1966. Наука и жизнь. 1988. №4.

4. Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973, гл. I;

Размещено на Allbest.ru