Цели и задачи исследования

Объектом изучения является вещество Земли.

Предмет исследования — конкретный минеральный и химический состав, структура, физические свойства (скорость прохождения сейсмических волн, плотность, вязкость, температура) вещества Земли.

Целью исследования глубинных оболочек Земли, в настоящее время, является сбор и анализ информации о внутреннем строении Земли. Под этим понимается получение комплекса систематизированных знаний по данной проблеме. Благодаря детальному исследованию особенностей глубинного строения нашей планеты удастся установить причины и последствия тех или иных событий в геологической истории Земли.

В качестве задач можно выделить объединение знаний таких дисциплин, как геодинамика, сейсмология, геохимия, петрология, минералогия в конкретную геологическую проблему — глубинное строение Земли, при использовании современной техники и широкого спектра методов, для получения более точных результатов.

Средства и методы исследования

Находясь на поверхности Земли человек может получить много информации, характеризующую вещество внутренних оболочек: химический состав, возраст, температуру, плотность, величину магнитного поля. Однако изучение глубинного строения Земли вплоть до её центра сопряжено со значительными трудностями. Например, недостаток изучения обнажений состоит в том, что он позволяют изучить только тонкую пленку земной поверхности — верхнюю часть земной коры (около 12 км — менее 0,25% радиуса Земли). Методы, использующиеся для изучения глубинных оболочек Земли подразделяются на прямые и косвенные.

К прямым методам относятся непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях и искусственных выработках. Глубинность этих методов определяется, в основном, глубиной горных выработок. Самой глубокой из выработок является скважина на Кольском полуострове СГ-3, достигшая отметки 12 262 км. В процессе исследований были обобщены материалы измерений пространственновременных вариаций физических полей Земли; проведены структурные, петрологические, геохронологические исследования. Впервые зафиксированы короткопериодные вариации теплового, магнитного, радиоактивного полей, выявлены взаимосвязи отдельных геополей и их зависимость от космических процессов. Установлена разупорядоченность структуры породообразующих минералов (слюд и амфиболов), что свидетельствует о анизотропности состояния вещества на глубинах до 12 км. Можно предполагать, что на глубинах порядка 14−15 км «могут существовать горизонты (слои, тела) с полностью изотропным состоянием кристаллического вещества, которые, очевидно, будут обладать иными особенностями распространения упругих волн по сравнению с горизонтами анизотропных ли частично анизотропных пород». 5].

Также представление о глубинных породах даёт изучение ксенолитов. Так, щелочные базальты могут содержать ксенолиты пород, поднятые с глубин 60—80 км, а в кимберлитах встречаются ксенолиты, принесенные с глубин 100—200 км, в отдельных случаях более 400 км. Считается, что такие ксенолиты образуются в результате относительно медленного поднятия из нижней мантии в верхнюю, и последующего быстрого выноса на поверхность. В трубках взрыва острова Малайта в Западной части Тихого океана обнаружены ксенолиты, содержащие меджорит Mg₃(Fe_1.2Al_0.6Si_0.2)₂[SiO₄]₃ и стишовит, что может указывать на глубины более 400 км (Collerson et al., 2000). Меджорит назван в честь геофизика А. Меджора, который исследовал формирование гранатов из пироксенового состава при сверхвысоких давлениях. Впервые меджорит (был найден в 1970 году в метеорите Курара (хондрит) неподалеку от городка Екла, в Западной Австралии (Mason et all, 1968; Smith, Mason, 1970) [6]. Из недавних достижений следует упомянуть находку мантийного рингвудита в алмазе. Грэм Пирсон (Graham Pearson) из Альбертского университета (Канада) и его коллеги впервые обнаружили образец рингвудита, в котором содержится не менее 1,5% (вес.) воды. Ученые полагают, что если этот образец рингвудита — характерный представитель переходной зоны между верхней и нижней мантией (слой Голицына), то в ней должно содержаться 1,4×10²¹ килограммов воды. «Этот образец — очень веское доказательство тому, что глубоко под землёй есть области, содержащие воду. Транзитная зона в недрах Земли, должна содержать столько воды, сколько все океаны, вместе взятые», — пояснил Г. Пирсон[13].

Ещё одним методом исследования внутреннего строения Земли является проведение экспериментов по поведению минералов при высоких давлениях и температурах, проводящихся в ИЭМ РАН, а также ИГМ РАН (Лаборатория экспериментальной петрологии № 449).

В настоящее время уровень развития технических средств позволяет извлекать образцы вещества для прямого изучения с недостаточной глубины. Мощность доступного «слоя», относительно радиуса планеты, сопоставим со сверхтонкой пленкой. Поэтому глубинное строение планеты исследуется косвенными методами и геофизическим моделированием, основанными на анализе геофизических данных. Основную информацию о внутреннем строении Земли дают следующие геофизические методы:

• · сейсмологический;
• · гравиметрический;
• · магнитометрический;
• · электрометрический;
• · геотермический;

Важнейшим из этих методов является сейсмический, использующий, кратковременно возникающее при землетрясениях, поле упругих сейсмических волн. Возникнув в очаге землетрясения, сейсмические волны распространяются с определенной скоростью по всем направлениям путем упругих перемещений частиц среды. По характеру распространения волны делятся на продольные и поперечные.

Продольные (Р) — это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны. Поперечная волна (S) — волна сдвига, при которой деформации в веществе происходят поперек направления движения волны.

Волна S изменяет только форму тела и она, как менее скоростная, приходит на сейсмоприемник позднее волны Р, таким образом, Vp всегда больше Vs. (Рис.4).

Рис. 4. Типы сейcмических волн: а — продольные (P-волны), б — поперечные (S-волны). Стрелками показано направление движения волны.

Когда происходит сильное землетрясение, сейсмические волны распространяются во все стороны, пронизывая земной шар во всех направлениях. В целом сейсмические волны подчиняются законам оптики[7] — на границах раздела сред с различными скоростями распространения упругие волны отражаются и преломляются.

В результате наряду с прямыми волнами регистрируются отраженные и преломленные волны. Отражение и преломление волн на границах раздела являются надежным источником информации о положении этих границ и широко используются для изучения внутреннего строения Земли. Повторная регистрация волн, которые ранее были зарегистрированы как прямые, свидетельствует о наличии четких границ раздела в недрах Земли и позволяет, используя время движения и скорость распространения волн, установить глубину их залегания.

Одним из сейсмических методов исследования Земли является сейсморазведка. Метод основан на изучении искусственно возбуждаемых упругих волн при помощи специального технического комплекса — источника. В результате геологическая среда реагирует возникновением периодического колебательного процесса с образованием упругой волны. Распространяясь в объеме горных пород, упругая волна попадает на границы раздела, изменяет направление и динамические свойства, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются точки наблюдения, где при помощи специальных приборов — сейсмоприемников — определяются свойства колебательных процессов. Используя имеющиеся данные о плотностях известных геологам горных пород, их минеральном составе можно интерпретировать поступающие данные. На выходе с определенной долей вероятности можно получить положение и форму границ, геологических тел, несогласий, разрывных нарушений, и спрогнозировать состав. Наиболее эффективна сейсморазведка при изучении осадочного чехла древних платформ, поскольку его горизонтально-слоистое строение наиболее просто интерпретируется по сейсмических данным. С увеличением наклона целевых геологических границ надежность получаемой сейсморазведкой информации резко падает.

Рис 5. Схема отражения сейсмических волн от поверхности пластов горных пород.

Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли, его пространственное изменение и определяет фигуру Земли. Гравитационное поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с её формой. Выявление и оценка гравитационных аномалий широко используется в физике Земли, так как их наличие приводит к напряжениям в теле Земли, которые являются причинами течений вещества, а иногда и разрушений. Гравиметрия изучает также приливы в теле Земли; приливные колебания земной поверхности позволяют проводить зондирование недр планеты на сверхдлинных периодах от ½ суток до 14 месяцев, что существенно для изучения неупругих свойств земных недр. Современные абсолютные гравиметры высокой чувствительности позволили впервые зарегистрировать временные изменения гравитационного поля, которые обусловлены неравномерностью вращения Земли.

Среди прочих методов следует выделить драгирование — процесс получения проб донных осадков с борта судна.