Астеносфера (состав, фазовое состояние, причины возникновения)
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
Литосфера (строение, состав, изменение мощности). Твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части верхней мантии (субстрата), до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы. Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере. Литосфера под океанами и континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5—10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.
Мантия заключена между поверхностями Мохоровичича и Вихерта – Гуттенберга. На её долю приходится 83% объема Земли и почти 67% массы. Традиционно сейсмологические данные позволяли выделять в её пределах верхнюю мантию (слой В), среднюю мантию (слой С) и нижнюю мантию (слои D' и D"). В составе верхней мантии, согласно современным воззрениям, преобладают следующие химические элементы: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. В соответствии с химическим и минеральным составом петрологические модели верхней мантии получили название пиролитовой, лерцолитовой, пиклогитовой и эклогитовой.
Развитие идей, заложенных в моделях РЕМ позволило А.М.Дзивонскому и Д.Л.Андерсону в 1981 г. построить одномерную референтную модель Земли PREM. Это обобщённая модель РЕМа, глубже 420 км они практически совпадают. PREM имеет три границы в верхней мантии (220, 400 и 670 км) и зону низких скоростей для S-волн на глубинах 80-220 км. Последующие измерения собственных частот Земли дают систематические расхождения с моделью. Имеются и другие несогласия с вновь получаемыми данными. Например 220 километровая граница не нашла подтверждения при анализе отраженных волн
1)Первичная кора охлаждения это первая научная концепция о начальных стадиях развития Земли и земной коры в частности. Возникновение биостратиграфии, т.е. исторического подхода в геологии, не разрушило эту концепцию: к первичной коре стали относить те древнейшие формации, которые лежали ниже фаунистически охарактеризованных слоев. Лишь с развитием петрографии метаморфических пород, когда была доказана сложная их эволюция, от первичной коры охлаждения отказались. 2)Консолидированная земная кора, состоящая из гранитного и базальтового слоя, выше залегает осадочный слой, мощностью до 25 км. 3) Современный этап развития представлений о строении зк континентов начался в 80ые годы 20 века, создание трехслойной модели консолидированной коры. Исследования ряда отечественных (Н.И.Павленкова, И.П.Косминская) и зарубежных (С.Мюеллер) учёных доказали, что в строении земной коры континентов кроме осадочного слоя, необходимо выделить, по крайней мере, три, а не два, слоя: верхний, средний и нижний. Океаническая кора состоит из трёх слоев: первого - осадочного, второго – базальтового, и третьего - габбро-серпентинитового.
Верхняя мантия расположена между подошвой земной коры (поверхность М) и границей раздела на глубине 670 км. На глубине 410 км она разделена на верхнюю и нижнюю части. В соответствии с химическим и минеральным составом петрологические модели верхней мантии получили название пиролитовой (пиролит - это условная пироксеново-оливиновая порода, состоящая их трёх частей перидотита и одной части базальтов), лерцолитовой (Лерцолит верхней мантии состоит из смеси пяти частей перидотита-гарсбургита и одной части толеитового базальта океанических рифтовых долин), пиклогитовой (предполагает доминирование пироксен-гранатовой ассоциации и имеет более чётко выраженный химический контраст с остальной мантией) и эклогитовой (допускает присутствие в верхней мантии эклогитовых линз и блоков.). Все петрологические модели верхней мантии весьма обобщённые и гипотетические. Наиболее простой и распространенной является пиролитовая модель.
В начале 40ых годов австралийский сейсмолог Кейт Эдвард Буллен предложил схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А – земная кора; В – зона в интервале глубин 33 - 413 км; С – зона 413 - 984 км; D – зона 984 - 2898 км; E – 2898 – 4982 км; F – 4982-5121 км; G – 5121 – 6371 км (центр Земли).Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Зоны В и С образуют верхнюю мантию. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984 – 2700 км) и D" (2700-2898 км).
Одной их первых реальных моделей является сейсмическая модель Джеффриса-Гутенберга, построенная в 30ых годах прошлого столетия. Модель оставалась неизменной до конца 60ых годов. Г.Джеффрис и Б.Гутенберг разделили Землю на три оболочки: ядро, мантию и земную кору. Из модели также следовало, что плотность Земли не является непрерывной функцией глубины, а меняется скачкообразно на границах раздела, в связи с изменением с глубиной структуры земных пород.
Однородная модель (первая), реальные модели внутреннего строения Земли используют всю имеющуюся на момент составления геолого-геофизическую информацию: модель Джеффриса-Гутенберга, модель Буллена, первая современная модель, РЕМ, IASP91, PREM, IASP91, SP6, AK135.
Сейсмические волны делятся на объёмные (продольные и поперечные) и поверхностные. Первые при своем распространении охватывают весь объем нашей планеты; вторые концентрируются только вдоль поверхности (до 80-160 км).
Она состоит из трёх слоев. Первый (осадочный) слой с поверхности покрывает дно морей и океанов. Плотность осадков составляет около 2 г/см3. Образование осадочного слоя океанов происходит за счёт выноса осадочных веществ реками с континентов, океанического осадконакопления, вулканической деятельности, в меньшей степени за счёт деятельности ледников, морской абразии, деятельности ветра. Наименьшая мощность в пределах СОХ. Второй (базальтовый) слой сложен чередованием базальтовых лавовых потоков, брекчий, вулканических пеплов и долеритовых даек. Такая разнородность слоя определяет и резкие колебания скоростей продольных сейсмических волн от 2,2 до 5,5 км /с. Формирование верхней части слоя происходило в условиях подводного вулканизма. Акустический фундамент осадочных толщ, мощность до 2 км. Третий (габбро-серпентинитовый) слой представляет фундамент океанической коры. Он прослеживается стабильно во всех частях океанов. Слой характеризуется постоянством мощности (5 ÷ 6 км) и скоростью распространения сейсмических волн в пределах 6,4 ÷ 7,2 км/с. Верхняя часть третьего слоя представлена габбро, которые образовались при медленной кристаллизации толеитовых базальтовых расплавов в магматическом очаге. Нижняя часть состоит из серпентинитов, возникших при гидратации ультраосновных пород мантии океаническими водами. Трехслойное строение характерно для ложа океана, в пределах СОХ отсутствие первого слоя и нечеткий третий. В центре СОХ – коромантийная смесь.
осадочные породы первоначально накапливаются горизонтальными слоями; их наклонное или изогнутое залегание - результат последующих нарушений (принцип непрерывности слоёв); каждый слой образовался путём осаждения из водной среды и во время его образования вышележащие слои отсутствовали (принцип суперпозиции слоёв); если на наклонном слое залегает слой горизонтальный (или более слабо наклонённый), это значит, что наклон первого слоя произошёл до отложения второго; горы не представляют постоянной величины.
Античный, средневековый, эпоха возрождения, научный, фундаментальный, критический, революционный, современный.
Современный этап (начало XXI в.) характеризуется совершенствованием классической концепции тектоники литосферных плит и формированием альтернативных моделей эволюции земной коры и литосферы в целом. "Плюм-тектоника". Сама идея существования мощных восходящих горячих и разуплотнённых глубинных масс (плюмов), зарождающихся в низах мантии и поднимающихся до подошвы литосферы, была высказана ещё в середине XX в. (Дж.Вильсон, Дж.Морган). В последние годы она получила мощную поддержку в трудах отечественных учёных: Ю.М.Пущаровского. Влияние космической геологии. Доказывается существование своеобразного резонанса между космическими и глубинными геодинамическими процессами (В.Е.Хаин). Тенденция возврата к идее о первоначально расплавленной Земле, и о возможной её дифференциации на кору, мантию и ядро уже в самом начале геологической эволюции. Укрепляется новое направление в геологии - геодинамика, которая (А.С.Монин) призвана объяснить причины и направленность геологических процессов в глобальной эволюции Земли.
Скорость распространения объемных волн зависит от плотности пород (обратная зависимость) и модулей упругости – сжатия и сдвига (прямая зависимость).
Зона раздела I (670 ÷ 840 км) характеризуется сложными полиморфными переходами минералов. Наиболее вероятно, что здесь происходит трансформация оливина в перовскит (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюстит (Mg,Fe)O. Нижняя граница зоны раздела I определяется переходом представителя семейства граната пиропа Mg3Al2Si3O12 в ромбический перовскит (Mg,Fe)SiO3 и твердый раствор корунд-ильменит (Mg,Fe)SiO3 - А12О3.
Кризис основополагающих концепций в геологии. Ставится под сомнение первоначально огненно-жидкое состояние Земли, соответственно отвергается и контракционная гипотеза. Появляются новые идеи о развитии планеты, известные как гипотеза расширяющейся Земли, пульсационная гипотеза. 45. Параметрические модели строения Земли. Было построено три модели – для океанов РЕМо, континентов РЕМс и усреднённая модель РЕМа. Различие между первыми двумя определялось различным строением земной коры и верхней мантии под океанами и континентами и прослеживалось до 420 км. Недостаток моделей – упрощение строения зоны полиморфных переходов. Развитие идей, заложенных в моделях РЕМ позволило А.М.Дзивонскому и Д.Л.Андерсону в 1981 г. построить одномерную референтную модель Земли PREM. Это обобщённая модель РЕМа, глубже 420 км они практически совпадают. PREM имеет три границы в верхней мантии (220, 400 и 670 км) и зону низких скоростей для S-волн на глубинах 80-220 км.
предполагает доминирование пироксен-гранатовой ассоциации и имеет более чётко выраженный химический контраст с остальной мантией.
Пиролитовая модель мантии была предложена А.Рингвутом в 1962 г. Учёный рассматривал мантию как первичное вещество Земли, прошедшее первую стадию дифференциации. По мнению А.Рингвута, пиролит - это условная пироксеново-оливиновая порода, состоящая их трёх частей перидотита и одной части базальтов.
По сейсмическим данным в пределах зк выделяется две основные поверхности раздела: кровля консолидированной коры - поверхность фундамента, и её подошва - поверхность Мохоровичича. (Внутри континентальной коры выделяется несколько внутренних поверхностей раздела. Наиболее устойчивы две поверхности: К1 (подошвой верхнего слоя консолидированной коры платформ с характерными скоростями 6,1 ÷ 6,5 км/с) и К2 (делит второй и третий слои коры континентов). Поверхность Мохо чётко отбивается скачком скоростей продольных волн от 7,5 ÷ 7,7 км/с до 7,9 ÷ 8,2 км/с. Она является неким переходным слоем от коры к мантии (зона тонкого переслаивания пород с мантийными и коровыми свойствами). Поверхность Вихерта-Гуттенберга между мантией и внешним ядром на глубине ок. 2900 км. Это наиболее резкая поверхность раздела в недрах Земли. Здесь скорость Р-волн скачкообразно меняется от 13,6 км/с в мантии до 8,1 км/с в ядре, уменьшается и скорость S-волн от 7,3 км/с до нуля. Плотность же резко возрастает от 5,6 до 10 г/м3. 49. Понятие «геотектоника». Кто основоположник данного научного направления? Термин «геотектоника» был предложен немецким геологом Карлом Фридрихом Науманном в 1860 г. Основоположник отечественной геотектоники, Михаил Михайлович Тетяев (1934). Геотектоника - наука, изучающая строение и состав земных геосфер, основные структуры литосферы и тектоносферы, тектонические движения, их причины и методы изучения. 50. Понятие о модуле сжатия. Модуль характеризует способность вещества сопротивляться всестороннему сжатию.Модуль сжатия можно определить как произведение плотности (ρ) на отношение приложенного к телу приращения давления (ΔР) к соответствующему приращению плотности (Δρ) (при условии, что количество тепла и масса вещества не изменяются). 51. Понятие о полиморфных переходах вещества мантии. Фазовый переход вещества из одной кристаллической или жидкокристаллической модификации в другую. Происходит в зонах раздела I, II Полиморфные переходы в зоне II приводят к уплотнению горных пород. 52. Понятие о сейсмике и сейсмологии. Сейсмология - наука, изучающая все естественные движения, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твердой Земли. Сейсмика - это метод исследования недр, основанный на регистрации и изучении искусственно вызванных упругих колебаний. В том и другом случае анализируются сейсмические волны, которые возбуждаются упругим импульсом, возникшим в недрах Земли или на ее поверхности естественным или искусственным путем. 53. Понятие о сейсмическом луче. Отдельно взятое направление, по которому распространяются продольные и поперечные волны, называется сейсмическим лучом. Траектория лучей искривлена в силу различной плотности земного вещества. Поскольку одновременно к поверхности Земли подходит множество сейсмических лучей, то образуется сложная интерференционная картина наложения различных упругих колебаний. Эти колебания вызывают движение частичек грунта и происходят землетрясения, которые регистрируются сейсмоприёмниками. 54. Понятие о сейсмическом параметре Для понимания внутреннего строения Земли Л.Х.Адамс и Э.Д.Вильямсон предложили ввести сейсмический параметр (Ф). Ф=модуль сжатия/плотность. Используя сейсмический параметр можно определить закон, по которому происходит приращение плотности с глубиной при небольших приращениях давления. 55. Понятие о слое Берзона. В самом основании нижней мантии в начале 70ых И.С.Берзон выделил тпереходный слой между мантией и ядром мощностью порядка 20 км. Слой Берзона характеризуется снижением скорости продольных волн, а скорость поперечных волн убывает с 7,3 км/с практически до нуля, что говорит о существенном снижении коэффициента эффективной вязкости, т.е. о том, что вещество этого слоя находится частично в расплавленном состоянии. 56. Понятие о тектоносфере Учитывая высокую тектоническую активность астеносферы, её вместе с литосферой иногда объединяют в тектоносферу. По мнению Ю.М.Пущаровского, в тектоносферу целесообразно включать всю мантию Земли. 57. Понятие об астеносфере Верхний пластичный слой верхней мантии, называемый также слоем Гутенберга. Астеносфера выделяется по понижению скоростей сейсмических волн. Выше астеносферы залегает литосфера — твёрдая оболочка планеты. На Земле кровля астеносферы лежит на глубинах 80-100 км (под материками) и 50-70 км (иногда менее) (под океанами). Нижняя граница земной астеносферы — на глубине 250-300 км, нерезкая. Выделяется по геофизическим данным как слой пониженной скорости поперечных сейсмических волн и повышенной электропроводности. 58. Понятия эпицентра, гипоцентра, антиэпицентра, плейстосейстовой области. Центр образования импульса называется очагом землетрясения, фокусом, или гипоцентром. В гипоцентре происходит разрядка напряжений и освобождение энергии, что сопровождается обратимыми деформациями, распространяющимися в горных породах в виде упругих колебаний или сейсмических волн. Эпицентр - точка на поверхности Земли, расположенная на кратчайшем расстоянии от гипоцентра; антиэпицентр - диаметрально противоположная точка. Плейстосейстовая область - область сильных колебаний и наибольших разрушений при землетрясении. Изосейста — линия на карте местности, соединяющая точки, в которых землетрясение проявилось с одинаковой интенсивностью. |