Выводы из анализа земных приливов

1. Соответствие формы (сжатия) Земли современной скорости ее вращения является главным доказательством пластичных (жидкостных) свойств Земли, проявляющихся в геологических масштабах времени.

Точнее современной форме Земли соответствует скорость вращения, имевшая место миллион лет назад. Принимая миллион лет как время установления гидростатического равновесия Земли, получаем, согласно выражению 2.4, вязкость литосферы порядка 3^.10²⁴ Па^.с.

2. Замедляясь, Земля становится всё более шарообразной, при этом максимум деформаций (напряжений), связанных с перестройкой формы Земли, приходится на 35⁰ широты (рис. 9.2).

Именно около этих широт в большей мере сосредоточены наиболее высокие горы, современная вулканическая деятельность и землетрясения.

3. В верхней мантии должен находиться близкий к жидкому слой - астеносфера, поскольку только трением в океанах нельзя обеспечить наблюдаемого замедления Земли.

4. В астеносфере поглощается около трети энергии приливного трения (торможения Земли), что является одним из источников поддержания температуры, близкой к плавлению.

4. СЕЙСМИЧНОСТЬ ЗЕМЛИ

4.1. Землетрясения и сейсмические волны

Землетрясения - это колебания поверхности и недр Земли, вызванные кратковременной разгрузкой упругих напряжений в литосфере, т.е. в верхней, наиболее жёсткой оболочке Земли.

Очаг землетрясения - область разгрузки напряжений, из которой излучаются сейсмические волны. Очаги землетрясений локализуются в литосфере. В подстилающей её астеносфере напряжения реализуются через пластические деформации. Размеры очагов землетрясений - десятки-сотни километров. В них происходят необратимые разрушения пород. За пределами очага деформации носят упругий характер сейсмических волн.

Сейсмические волны - распространяющиеся в недрах Земли знакопеременные деформации. В соответствии с двумя видами деформаций существует два вида волн: продольные волны (Р-волны) - это волны сжатия-растяжения, колебание которых осуществляется вдоль линии их распространения. Поперечные волны (S-волны) - волны сдвига; колебание волн сдвига происходит в плоскости, перпендикулярной линии распространения волны. Скорости сейсмических волн определяются упругими модулями и плотностью:

v_p = ; v_s = , (4.1)

где k - модуль объёмной упругости; m - модуль упругости формы; s - плотность.

Из выражений для скоростей можно заключить, что, во-первых, скорость продольных волн больше скорости поперечных (v_p@1,73 v_s) и, во-вторых, в жидких и газообразных средах (m=0) поперечные волны отсутствуют.

4.2. Параметры землетрясения, определяемые по сейсмическим данным

Запись сейсмических колебаний осуществляется сейсмостанциями, расположенными на поверхности Земли (рис.4.1). Первыми от землетрясения на сейсмостанцию приходят продольные волны, затем поперечные и поверхностные.

Последним соответствуют максимальные колебания почвы и именно они вызывают разрушения на поверхности Земли.

По сейсмическим данным определяют пространственные координаты, энергию и механизмы землетрясения.

а) Пространственные координаты землетрясения

К таковым относятся глубина гипоцентра (h) и эпицентральное расстояние (D) - расстояние от эпицентра до сейсмостанции. Глубина гипоцентра и эпицентральное расстояние определяются из выражения:

(t_s - t_p)^. , (4.2)

где t_s и t_p - время прихода поперечной и продольной волн.

Поскольку неизвестных два, то для определения D и h необходимы наблюдения минимум на двух станциях.

По глубине очага различают землетрясения:

неглубокие, h £ 70 км, в том числе приповерхностные (<10 км) (70 км - средняя мощность литосферы);

промежуточные, h = 70¸300 км;

глубокие, h > 300 км (до 700 км).

б ) Энергия землетрясения

Числовой энергетической характеристикой землетрясения является магнитуда М:

, (4.3)

где а - амплитуда смещения почвы по сейсмической волне с периодом Т; F - эмпирическая функция, приводящая все измерения к стандартным условиям (по h, D и свойствам грунта).

Сильнейшие землетрясения имеют магнитуды больше 8. Упругая энергия таких землетрясений однозначно связана с магнитудой:

lgЕ» 4+1,6^.М. (4.4)

Например, землетрясение в Сан-Франциско (1960) имело магнитуду 8,3, что соответствует энергии 10¹⁷ Дж (больше, чем энергия водородной бомбы в 5 Мт).

в) Механизм очага землетрясения

Под механизмом очага землетрясения понимают характер перемещения литосферных плит в зависимости от направления действия сил, вызывающих

землетрясение. Изучение механизма очага землетрясения оказалось возможным после исследования прихода волн от ядерных взрывов. Ядерный взрыв сначала вызывает волну сжатия, потом происходит захлопывание полости и формируется волна растяжения.

Приходит ли волна сжатия или волна растяжения, судят по характеру первого вступления сейсмической волны (направлению первого колебания почвы). Если первое смещение почвы произошло от очага (вверх, как это показано на рис. 4.1,б), то пришла волна сжатия, если - к очагу, то - волна растяжения. По пространственному расположению точек прихода волн сжатия и растяжения можно определить механизм очага землетрясения, т.е. в каком направлении перемещались плиты в очаге и какие силы, сжатия или растяжения, вызвали эти перемещения.

В условиях сил растяжения (сброс) над очагом формируется волна растяжения, а по периферии - сжатия (рис 4.2, а), а в условиях сил сжатия (взброс, надвиг, поддвиг) наблюдается обратная картина (рис. 4.2, б).

4.3 Закономерности распределения землетрясений

Закономерности распределения землетрясений в пространстве и времени, по энергиям и механизмам очагов составляют сейсмичность Земли. Землетрясение - признак современной геологической активности Земли.

Глубина очага землетрясения косвенно указывает на глубину распространения литосферы (глубину до астеносферы), а энергия - на степень жёсткости литосферы и силу, вызывающую разрывные деформации. Выявление периодичности землетрясений и сопоставление её с периодичностью космических или геологических явлений позволяет выявлять причины провоцирования землетрясений.

1). Землетрясения сосредоточены в узких зонах разгрузки упругой энергии Земли, разделяющих её литосферу на несейсмоактивные плиты (рис. 4.3).

Наиболее крупными литосферными плитами являются: Тихоокеанская, Евроазийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индийская, Антарктическая.

2). Наиболее глубокие и высокоэнергетичные землетрясения сосредоточены в зонах субдукции, являющихся также зонами сжатия.

Зоны субдукции располагаются в области активного сочленения океанов и континентов (зоны глубоководных желобов) и в поясах альпийских надвиговых структур внутри континентов.

Глубина гипоцентров землетрясений возрастает в зонах субдукции в направлении от океана к континентам (рис.4.4). Повышенная мощность и напряжённое состояние здесь литосферы интерпретируется как результат поддвигания океанической земной коры под континентальную.

3). Неглубокие (h<20 км) с малой магнитудой (М<6) землетрясения сосредоточены в рифтовых зонах срединных океанических хребтов - зонах растяжения. (рис. 4.5).

Здесь литосфера маломощна и наименее жёстка. Астеносфера ближе всего подходит к дневной поверхности. В рифтовых зонах происходит зарождение базальтовых магм и наращивание (раздвигание) океанической земной коры.

4). Периодические повышения сейсмической активности Земли коррелируются с аномалиями замедления её вращения.

Направленное уменьшение угловой скорости вращения Земли, обусловленное приливными притяжениями Луны и Солнца, осложнено локальными возмущениями, с которыми и оказываются сопоставимы по времени повышения сейсмичности Земли. Наблюдается периодичность в 60 лет, что, как мы уже знаем, соответствует кратному обращению Юпитера и Сатурна относительно Земли. Последний максимум замедления и сейсмической активности Земли приходился на 60-е годы 20 века.

5. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ

5.1 Упругие свойства минералов и горных пород

а) скорости сейсмических волн и плотность

Скорости сейсмических волн определяются либо по измерениям образцов горных пород, либо непосредственно по результатам сейсмических наблюдений. Поскольку плотность входит в формулы для скоростей сейсмических волн (4.1), то из сейсмических данных можно получить информацию о плотности. Может быть определено приращение плотности (Ds) при приращении глубины (Dh) по формуле Адамса-Вильямсона с учётом поправки на объёмное расширение Ф.Берга:

, (5.1)