Скорости сейсмических волн и плотности некоторых минералов и горных пород

Анализ данных таблицы позволяет сделать следующие заключения:

1. По измеренным значениям s и v можно судить о составе вещества Земли.

2. Плотность и скорость сейсмических волн увеличиваются при увеличении в минералах, породах Fe, Ca и Mg и уменьшаются при увеличении - Si, K, Na.

3. Преобладание в породе, минерале Fe над Mg увеличивает плотность, но уменьшает скорость распространения сейсмических волн, в большей степени - поперечных.

б) влияние температуры и давления

Приведённые в таблице 5.1 физические параметры измерены на образцах горных пород и минералов в лабораторных условиях. Термодинамические условия в недрах Земли иные: температура и давление растут на глубину. Сведения об изменении физических параметров при изменяющихся термодинамических условиях также получают путём эксперимента, создавая в измерительных установках высокие температуры и давления.

Возьмём для рассмотрения систему MgFeSiO₄, в поверхностных условиях представляющую собой минерал оливин (рис. 5.1,а). При повышении давления скорости сейсмических волн и плотность минерала возрастают, при этом постепенное возрастание обусловлено упругим сжатием минерала при повышении давления, а скачок значений физических параметров связан с перекристаллизацией минерала в структуру шпинели. Давление фазового перехода у оливина зависит от соотношения в нём Fe и Mg и увеличивается при увеличении температуры. Для оливинов состава верхней мантии оно составляет 12^.10⁹Па при температуре 1200⁰С и 13,4^.10⁹Па при температуре 1600⁰С.

Увеличение температуры, напротив, уменьшает плотность и скорости сейсмических волн (рис. 5.1,б). Постепенное понижение значений физических параметров обусловлено тепловым расширением вещества при увеличении температуры, скачок значений - его фазовым переходом (расплавлением). Температура плавления зависит от состава минерала, породы и от давления. Например, базальт в приповерхностных условиях (Р = 10⁵Па) плавится при температуре 1100⁰С, а на глубине 2000 км (Р = 800^.10⁸Па) его температура плавления превышает 2250⁰С. Таким образом, высокое давление в недрах Земли препятствует их расплавлению.

5.2 Закономерности распространения сейсмических волн

На границе двух сред сейсмические волны могут испытывать преломление и отражение. Условие преломления: v₁¹v₂; условие отражения: v₁^.s₁¹v₂^.s₂. Отраженная волна распространяется в этой же среде, в которой распространялась падающая (прямая) волна. Угол отражения равен углу падения. Преломлённая волна проходит во вторую среду. Соотношение угла падения (i) и угла преломления (j) зависит от соотношения скоростей в двух средах:

. (5.2)

Иными словами, если скорость во второй среде больше, то сейсмический луч прижимается к поверхности (j > i), если меньше, то к нормали (т.е. уходит на глубину).

Зависимость времени прихода волны от эпицентрального расстояния называется годографом.