- •ВВЕДЕНИЕ
- •Литература
- •1. МАТЕРИЯ. ДВИЖЕНИЕ
- •Единство природы
- •Иерархия объектов в природе
- •Четыре вида фундаментальных взаимодействий
- •Пространство и время
- •Торсионные поля
- •Вселенная, Галактика, Солнечная система, планеты. Основные гипотезы происхождения и эволюции
- •Основы «холодной» модели происхождения Солнечной системы
- •Модель горячей Земли
- •Вихревая материя Декарта и звездные системы
- •Модель образования Солнечной системы из эндо-галактического вихря
- •Геосолитоны как функциональная система Земли
- •Предмет физики Земли
- •Литература
- •О фигуре реальной Земли
- •Геофизическое обоснование геоида. Сфероид Клеро
- •Фигура и распределение массы внутри Земли
- •Референц-эллипсоид. Эллипсоид Красовского. Международный эллипсоид
- •Понятие о периодах Эйлера и Чандлера, нутации и прецессии, динамическое сжатие
- •Колебания Чандлера и сейсмотектонический процесс
- •Геоид по спутниковым данным. Квазигеоид
- •Земля как 3-осный эллипсоид
- •Литература
- •3. ФИЗИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
- •Определение науки сейсмологии. Классификация землетрясений по происхождению, глубине очага и силе. Географическое распределение землетрясений
- •Способы оценки интенсивности колебаний при землетрясениях: макросейсмические шкалы и 12-балльная шкала MSK-64
- •Прогнозирование землетрясений, сейсмическое районирование и сейсмостойкое строительство
- •Землетрясение, его очаг, гипоцентр, эпицентр, эпицентральное расстояние
- •Землетрясения Луны и Марса
- •Энергия землетрясения
- •Магнитуда землетрясения
- •Упругая энергия, выделяющаяся в очаге
- •Энергетический класс
- •Зависимость между размерами очага и количеством выделившейся в нем энергии
- •График повторяемости землетрясений
- •О повторяемости землетрясений
- •Дислокационные теории очага землетрясения
- •Модели сейсмического процесса
- •Литература
- •Основы теории упругости
- •Тензор деформации
- •Основное допущение классической теории упругости
- •Тензор напряжений
- •Энергия деформирования
- •Закон Гука
- •Однородные деформации
- •Адиабатические процессы
- •Продольные и поперечные упругие волны в изотропной среде
- •Поверхностные упругие волны
- •Законы Ферма, Гюйгенса и Снеллиуса
- •Упругие волны в твердых телах и сейсмические волны
- •Развитие сейсмометрических наблюдений
- •Сейсмическая станция
- •Сети сейсмических станций
- •Годографы
- •Траектории волн внутри Земли
- •Анализ данных о скоростях распространения продольных и поперечных волн по радиусу Земли
- •Проявление внешнего и внутреннего ядер Земли в особенностях выхода объемных сейсмических волн на поверхность Земли
- •Состояние слоев вещества Земли по данным сейсмологии. Распределение скоростей и сейсмических волн в земной коре (континентов и океана), типы земной коры (по данным сейсмологии)
- •Земная кора
- •Океаническая кора
- •Континентальная кора
- •Литосфера и астеносфера
- •Сейсмология и глобальная тектоника
- •Литература
- •Обзор развития представлений о моделях Земли
- •Предпосылки создания теории определения плотности
- •Упругость и плотность Земли
- •Распределение упругих модулей с глубиной
- •Давление и ускорение силы тяжести с глубиной
- •Мантия Земли
- •Земное ядро
- •Литература
- •6. ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
- •Отклонение Земли от состояния гидростатического равновесия
- •Волны геоида
- •Изостазия
- •О моментной природе волн геоида
- •Литература
- •7. ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
- •Геомагнетизм и физика Земли
- •История развития представлений о магнитном поле Земли и о магнитных явлениях
- •Элементы магнитного поля Земли
- •Магнитные поля планет
- •Методы исследования магнитного поля Земли
- •Миграция магнитных полюсов
- •Вариации значений магнитного момента Земли
- •Вековые вариации геомагнитного поля
- •Главное магнитное поле Земли. Аномалии геомагнитного поля
- •Магнитные свойства пород. Палеомагнетизм
- •Новая глобальная тектоника
- •Происхождение главного магнитного поля Земли
- •Электрические эффекты
- •Электромагнитные зондирования
- •Геомагнетизм и жизнь. Диапазон магнитных явлений
- •Глобальные магнитные аномалии как самоорганизующаяся система токовых контуров в ядре Земли
- •Литература
- •8. ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
- •Общие сведения о тепловом балансе Земли
- •Определение теплового потока и геотермического градиента на континентах и в океане
- •Связь теплового потока с основными структурами земной коры
- •Механизмы переноса тепла в Земле
- •Способы оценки температуры в земной коре
- •Температура в мантии
- •Температура в ядре Земли
- •Обобщенная температура по радиусу Земли
- •Новые данные о тепловом поле Земли
- •Литература
- •9. РЕОЛОГИЯ ЗЕМЛИ, ПРИРОДА ЕЕ ОСНОВНЫХ СЛОЕВ И РАЗДЕЛЯЮЩИХ ИХ ГРАНИЦ
- •Хроника появления и развития основных представлений физики вязкоупругих тел и их применение к веществу Земли
- •Среда в физике Земли
- •Процесс ползучести и его феноменологическое описание
- •Зависимость между напряжением и деформацией для некоторых реологических сред
- •Реология Земли
- •Вещество Земли в условиях высоких давлений и температур
- •Природа и характер границы Мохоровичича между земной корой и мантией
- •Происхождение земной коры, гипотезы дифференциации, зонной плавки и океанизации
- •Строение мантии
- •Ядро Земли
- •Литература
- •10. РОТАЦИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
- •Вращательное движение как характерное свойство пространства-времени Вселенной
- •Вращательное движение в геологии
- •Вращательное движение как характерное свойство пространства-времени Вселенной
- •Структура пространства-времени
- •Новый диалог с Природой
- •Литература
- •11. ЭЛЕМЕНТЫ ВИХРЕВОЙ ГЕОДИНАМИКИ
- •О терминологии
- •Геология и время
- •Время и энтропия
- •Хронология фанерозоя
- •Резюме
- •Еще раз о вихрях в геологии
- •Моментная природа геодинамического процесса
- •Взаимодействие землетрясений
- •Колебания Чандлера
- •Ротационно-упругие волны
- •Физическая модель геологической среды
- •Дальнодействие
- •Уравнение движения однородной цепочки взаимодействующих блоков (на примере окраины Тихого океана)
- •Свойства решений
- •Характерная скорость процесса
- •Энергия сейсмического процесса
- •О связи вулканизма и сейсмичности
- •Волновая геодинамика
- •О вращательном движении тектонических плит
- •Энергия тектонического процесса
- •Сейсмичность, вулканизм и тектоника как составные части волнового геодинамического процесса
- •Что же такое землетрясение и его очаг?
- •Литература
- •12. ГЕОЛОГИЯ И МЕХАНИКА
- •Форма Земли и геодинамика
- •Парадокс Эверндена
- •Оценки М.В. Стоваса
- •Форма Земли и ее строение: новые подходы
- •Новая модель геоизостазии
- •Роль землетрясений в минимизации гравитационной энергии
- •Высота геоида
- •Замечание по поводу сжатия Земли
- •Принцип минимизации энергии
- •Механизмы реализации принципа минимизации
- •Процесс самоорганизации
- •Распределение плотности
- •Вихревые структуры
- •Новые данные и нестыковки
- •Начальный ньютоновский этап
- •Этап Якоби
- •Этап Дирихле
- •Современный этап
- •Литература
- •Суть проблемы геомагнетизма
- •Нестыковки
- •Бароэлектрический эффект и электромагнетизм планет
- •Резюме
- •Литература
- •14. ГЕОЛОГИЯ И ВРЕМЯ (продолжение)
- •Геология и жизнь
- •Суть проблемы
- •Обзор представлений о развитии концепции времени
- •Узловые моменты
- •Резюме
- •Литература
- •Общий обзор
- •Древний период
- •Эллада, древние Китай и Индия
- •Средние века
- •Эпоха возрождения
- •Разделение натурфилософии на естественные науки
- •Революция в естествознании
- •Современный период
- •Развитие представлений об эфире, вакууме, торсионных полях, информации и сознании
- •Древний период
- •Эллада, древние Китай и Индия
- •Средние века
- •Эпоха Возрождения
- •Разделение натурфилософии на естественные науки
- •Революция в естествознании
- •Современный период
- •«Неизбежность странного мира»
- •Литература
- •Гипотеза
- •Литература
- •Оглавление
Коэффициент теплопроводности донных осадков измерялся с помощью игольчатого зонда постоянной мощности с погрешностью измерений около 3% и оценивался по влажности донных осадков. Значение коэффициента теплопроводности, оказалось, лежит в пределах 1,61 ≤ χ , мкал/(см·с·град) ≤ 2,50, в среднем, χ ≈ 2,0
мкал/(см·с·град) [Смирнов, Сугробов, Галушкин, 1982].
Определенные значения теплового потока расположены в пределах более чем порядка по величине 0.42 [18] ≤ Q, мккал/(см2·с) [мвт/м2] ≤ 5,50 [230] [Смирнов, Сугробов, 1979, 1980а, б; Смирнов, Сугробов, Галушкин, 1982].
Температурные градиенты отдельных областей Земли также сильно различаются, а также изменяются и с глубиной, причем зависят, главным образом, от теплопроводности. При этом значения температурных градиентов варьируют в пределах 0,1 - 0,01 град/м. Часто в качестве репрезентативного значения принимается значение 1/30 град/м ≈ 30
град/км.
Коэффициент теплопроводности χ определялся многими исследователями. Как правило, теплопроводность данного образца для большинства пород уменьшается с увеличением температуры. Для образцов, отобранных из дна океана, существенно водосодержание, так что необходимо обеспечить такое положение, при котором водосодержание таких образцов не изменялось бы. Из опубликованных данных следует, что χ = 0,005 кал/(см град с) для многих пород коры, он близок к значению 0,01 для ультраосновных пород. Для оливина и пироксена определено значение χ = 0,012 при 00С и χ = 0,008 кал/(см град с) при 2000С. Следует отметить, что, согласно современным данным, коэффициент теплопроводности осадочных пород земной коры сильно зависит от пористости и температуры.
Связь теплового потока с основными структурами земной коры
Средние значения теплового потока для разных регионов Земли приведены в табл. 8.2 (сомнительные результаты исключены) и представлены на рис. 8.2 а, б, в, г.
Значения Q на поверхности Земли, как видно из данных табл. 8.2 и рис. 8.2, изменяются в достаточно больших пределах. Наибольшая частота таких значений, как видно из данных рис. 8.2, приходится на значение Q0 = 1,1 10-6 кал/(см2 с). Однако кривая распределения несимметрична. Это приводит к тому, что среднее значение теплового потока приходится на величину Q0,ср = (1,50±0,15) 10-6 кал/(см2 с) = 63,0±6,3 мвт/м2. При таком среднем значении теплового потока общая потеря тепла Землей путем теплопроводности составляет 2,4 1020 кал/год или 1028 эрг/год с точностью около 10%.
Распределение значений теплового потока по поверхности Земли не совсем случайно (рис. 8.2 б, в). Для щитов и платформ Q обычно составляет 0,9 10-6 кал/(см2 с). В противоположность этому тепловой поток в ряде районов, особенно в горах последнего цикла складчатости (Альпы, горы Японии), оказывается повышенным до 2 10-6 кал/(см2 с) и даже выше. Это же относится и к некоторым областям на дне океанов. Хотя средний тепловой поток через дно океанов приблизительно равен потоку на континентах и отличается постоянством на обширных океанических равнинах, но на дне океанов имеются области – подводные валы, где тепловой поток резко повышен и доходит до
6,7 10-6 кал/(см2 с) (рис. 8. 2).
Регионы с более высокими (положительными) аномалиями теплового потока называются «горячими точками». В настоящее время все еще ведутся споры относительно того, движутся ли эти горячие точки вместе с тектоническими плитами во время их дрейфа или же они имеют более глубокое происхождение (в мантии). Суть проблемы заключается в том, что из равенства тепловых потоков на материках и океанах следует равенство на единице площади количества радиоактивных элементов, генерирующих тепло. Это особенно удивительно, если вспомнить, что литосфера под континентами и
220
океанами имеет разное строение (см. рис. 6.3). Действительно, известно, что континентальные породы содержат вблизи поверхности намного больше радиоактивных веществ, чем океанические. Это различие должно каким-то образом уравновешиваться на глубине.
Таблица 8.2. Средние значения теплового потока в мккал/(см2с) в регионах с различными типами геологического строения коры [Стейси, 1972; с. 270].
Материки |
|
|
(26) |
|
Докембрийские щиты |
|
0.92 ± 0.17 |
||
Последокембрийские |
неорогенические области |
1.54 ± 0.38 |
(23) |
|
Последокембрийские |
орогенические области (кроме |
1.48 ± 0.56 |
(68) |
|
зон |
|
|
|
|
Кайнозойского вулканизма ) |
2.16 ± 0.46 |
(11) |
||
Зоны Кайнозойского вулканизма |
1.43 ± 0.56 |
(128) |
||
Среднее для материков (кроме геотермальных |
(51) |
|||
1.41 ± 0.52 |
||||
областей) |
|
|
||
|
|
|
||
«Среднесеточное» для материков *) |
|
|
||
Океаны |
|
|
|
|
Основная часть бассейнов |
1.28 ± 0.53 |
(273) |
||
Океанические хребты |
|
1.82 ± 1.56 |
(338) |
|
Желоба |
|
0.99 ± 0.61 |
(21) |
|
Прочие (шельфы и др.) |
|
1.71 ± 1.05 |
(281) |
|
Среднее для дна океана |
1.60 ± 1.18 |
(915) |
||
«Среднесеточное» для океанов *) |
(338) |
|||
1.42 ± 0.78 |
||||
|
|
|
||
|
|
|
||
Среднее для Земли (по всем значениям) |
1.58 ± 1.14 |
(1043) |
||
«Среднесеточное» для Земли *) |
1.43 ± 0.75 |
(389) |
*) Каждое значение, использованное для получения «среднесеточного» значения, представляет собой среднее из всех измерений, попадающих на квадрат 5 х 50 (300 х 300 морских миль). Таким способом уменьшается «вес» мест, густо покрытых измерениями. При вычислении «среднесеточного» для всей Земли были использованы дополнительные данные, что объясняет некоторое различие в значениях этих трех среднесеточных значений.
N
50
40
30
20
10
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
2с |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мккал / см |
Рис. 8.2а. Гистограмма распределения значений тепловых потоков для Земли в целом
[Магницкий, 1965; с. 6].
221
2
, мккал/см с
Рис. 8.2 б. Сравнение распределений океанического и континентального тепловых потоков. Вверху – гистограммы значений теплового потока, внизу – гистограммы средних значений по сетке с ячейкой 90 тыс кв. морских миль; 1 морская миля = 1.8 км [Ботт, 1974, с. 217].
Общая связь теплового потока с геологией видна также из данных табл. 8.2 и рис. 8,2. Из сравнения регионов разного типа следует, что чем раньше закончились магматические процессы, связанные с формированием региона (орогез), тем меньше величина современного теплового потока. Этот общий вывод, по-видимому, верен, но не нужно забывать, что существуют значительные изменения теплового потока местного характера. В частности, они наблюдаются над такими структурами, как СрединноАтлантический хребет, где, вероятно, имеются локализованный источники тепла, находящиеся на глубинах до нескольких десятков километров. Вероятно, такие источники аналогичны вулканическим областям на суше; их вклад в глобальное распределение потока мал. К приведенной потере тепла Землей через теплопроводность следует добавить потери тепла другими путями.
222
2
, мккал/смс
Рис. 8.2 в. Гистограммы значений теплового потока для разных континентальных регионов
[Ботт, 1974; с. 219].
Магматическая деятельность Земли приводит к поднятию и излиянию на поверхность раскаленных лав и других продуктов. Считая, что с начала кембрия (5 108 лет назад) было около 30 излияний платобазальтов объемом каждое в 106 км3, что каждый грамм поднятого на поверхность базальта дал за счет охлаждения 300 кал и за счет теплоты кристаллизации 100 кал, получаем потерю тепла в 0,8 1017 кал/год. Если учесть вулканизм дна океанов, другие виды вулканизма, о можно эту потерю увеличить на порядок, т. е. считать Q = 1018 кал/год. Таким образом, этот путь теплопотерь, который может быть доминирующим для некоторых ограниченных районов, пренебрежимо мал в масштабе всей Земли.
223
2
, мккал /см с
Рис. 8.2 г. Гистограммы значений теплового потока для четырех основных типов океанических регионов [Ботт, 1974; с. 220]; а – океанические котловины, б – океанические хребты, в – океанические желоба, г – другие океанические регионы.
Наконец, следует учесть вынос тепла термальными водами. Такие области, как гейзерные поля, например, долина Гейзеров на Камчатке, области выходов термальных источников по разломам, как, например, термальная линия Копет-Даг, дают вынос тепла в размерах 1016-1017 кал/год, т. е. их вклад весьма невелик. Гораздо существеннее вынос тепла водами, циркулирующими в осадочной толще Земли. Произвести точную оценку теплопотерь таким путем не удается, но вполне возможно, что она достигает величины того же порядка, что и через теплопроводность. Таким образом, следует иметь в виду, что приведенной выше значение потери тепла в 2,4 1020 кал/год может быть увеличено примерно вдвое.
Особенности тепловых полей в зонах перехода от континента к океану
Данные измерения теплового потока в зонах перехода от континента к океану, полученные при исследовании северо-западной окраины Тихого океана [Смирнов, Сугробов, 1979, 1980а, б; Смирнов, Сугробов, Галушкин, 1982], кратко охарактеризованные выше, показывают следующее. Тепловой поток в зонах перехода является таким параметром, который дает наиболее полную информацию о возрасте тектоно-магматической активности, строении и мощности коры, термодинамических условиях в тектоносфере, структуре энергетического баланса переходных зон и т.д.
224