ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 6, с. 26-41
УДК 550.311
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
В ЗЕМНОМ ЯДРЕ
© 2004 г. В. Ю. Бурмин
Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, г. Москва E-mail: burmin@ifz.ru Поступила в редакцию 21.08.2002 г.
На основе монтажей записей сейсмических колебаний от глубокофокусных землетрясений, зарегистрированных мировой сетью, построены годографы рефрагированных и отраженных короткопе-риодных продольных сейсмических волн, распространяющихся в ядре Земли. По этим годографам получен скоростной разрез земного ядра, хорошо согласующийся с наблюденными данными и объясняющий природу так называемых "предвестников" - колебаний, выходящих в первые вступления на поверхности Земли на эпицентральных расстояниях 134°-142°. Особенностью скоростного разреза во внешнем ядре является наличие в его низах слоя мощностью около 500 км с высоким положительным градиентом скорости и сразу под ним слоя с пониженной скоростью мощностью около 200 км (зона F). Во внутреннем ядре скорость сначала увеличивается довольно сильно до глубин примерно 5500 км, а затем, к центру Земли меняется практически линейно, с чуть большим градиентом, чем это принято в стандартных моделях.
ВВЕДЕНИЕ
Нет сомнений в том, что земное ядро оказывает существенное, а во многих случаях и определяющее влияние на многие процессы глобального характера, происходящие в Земле и проявляющиеся на ее поверхности.
Первое указание на существование земного ядра получил Р. Олдгем [Oldham, 1906] в 1906 г. при исследовании записей землетрясений вблизи антицентра. Он установил существование скачка скорости приблизительно на середине радиуса Земли. К 1914 г., когда был построен общий скоростной разрез Земли по продольным волнам P, Б. Гутенберг [1963] показал, что на глубине около 2900 км скорость vP продольных волн уменьшается от 13.5 до 8.5 км/с. Область ниже этой глубины получила название земного ядра. Было также установлено, что поперечные волны через земное ядро не проходят.
В 30-х годах на сейсмограммах были обнаружены колебания, которые нельзя было объяснить, исходя из предположения, что жидкое ядро простирается до центра Земли. В 1936 г. И. Ле-манн предположила, что ядро состоит из двух частей - внешнего и внутреннего ядра, и что скорость во внутреннем ядре больше.
Чуть позже это подтвердил Г. Джеффрис [Jeffreys, 1939а]. Он дал ставший классическим разрез ядра (рис. 1), основанный на ветвях годографа рефрагированных волн PKP1 и PKP2, имеющих разные наклоны.
Следует подробнее остановиться на том, как было получено распределение скорости в верх-
ней части внешнего ядра. Дело в том, что годограф рефрагированной волны, распространяющейся в мантии, обрывается на эпицентральных расстояниях, соответствующих проникновению волн до границы мантия-ядро. Это связано с тем, что в верхней части внешнего ядра имеется слой,
Скорость, км/с 8 9 10 11
Рис. 1. Распределения скорости продольных волн в ядре по данным различных авторов [Qamar, 1973]: 1 -[Jeffreys, 1939]; 2 - [Bolt, 1962]; 3 - [Adams, Randall, 1964]; 4 - [Randall, 1970]; 5 - [Hales, Roberts, 1971]; 6 -модель KOR5.
в котором отношение v(r)/r меньше, чем это же отношение у подошвы мантии. Как известно, в этом случае однозначного решения задачи определения скорости в слое по годографу сейсмических волн не существует. Чтобы получить распределение скорости в этом слое, был использован прием, предложенный Вадати и Масудой [Wadati, Masuda, 1934], который заключается в следующем. При падении продольной волны на границу раздела двух сред с разными упругими характеристиками в каждой точке границы она испытывает преломление и отражение. При этом сейсмические лучи, вдоль которых распространяются эти волны, имеют один и тот же лучевой параметр. Если вычесть из времени пробега преломленной волны время пробега отраженной волны, то оставшееся время будет соответствовать времени пробега волны, распространяющейся под границей раздела. Проделав эту процедуру для каждой точки наблюденного годографа преломленной волны с учетом сейсмического сноса, можно получить годограф волны, распространяющейся только под границей. Если эта граница является границей мантия-ядро, то получим годограф волны, распространяющейся только в ядре, как если бы наблюдения проводились на границе ядра. Разумеется, в этом случае зона тени остается, и годограф начинается не от нуля, а от некоторой точки на плоскости эпицентральные расстояния -время. Чтобы найти распределение скорости сейсмической волны в зоне тени, пересчитанный годограф дополняют некоторой выпуклой кривой, которая соединяет первую точку годографа с нулевой точкой. Таким образом, получается непрерывный годограф, соответствующий монотонно возрастающей скоростной кривой. Понятно, что таких кривых можно построить бесконечное множество и, соответственно, получить, казалось бы, бесконечное множество скоростных кривых, для которых отношение v(r)/r монотонно увеличивается. Однако это ошибочное представление. Как показано в работах [Гейко, 1982; Бурмин, 1996], существует единственная монотонная скоростная кривая, которая является решением в волноводе. Следовательно, нельзя соединять отдельные точки годографа произвольным образом, так как не всякая кривая, в данном случае выпуклая, является годографом.
Распределение скорости, полученное Г. Джеф-фрисом, включает переходный слой между внешним и внутренним ядром, занимающий область 0.36^ < r < 0.40^, т.е. между глубинами 4980 и 5120 км (рис. 1). Позднее этот слой был назван зоной F. Г. Джеффрис ввел в этой части ядра отрицательный градиент скорости волн Р, равный dvP/dz = -0.0075 c-1. На нижней границе зоны F Г. Джеффрис ввел скачок vP от 9.40 до 11.16 км/с.
Б. Гутенберг и Ч. Рихтер [Gutenberg, Richter, 1938; 1939] получили распределение vP, непре-
рывное для всего ядра, но с большими положительными градиентами в некотором интервале глубин, приблизительно приходящемся на зону F. На это Г. Джеффрис [1960, с. 118] заметил: "Гутенберг и Рихтер рассчитали распределение скоростей в ядре, при котором уменьшение скорости перед внутренним ядром не происходит, но я пока не понимаю, как можно согласовать такое распределение с длиной отступающей ветви".
Начиная с 50-х годов появляются данные о том, что на эпицентральных расстояниях от 125° до 140° перед волнами PKP наблюдаются волны -так называемые "предвестники" с периодами 0.5-1.0 с, которые вступают примерно на 10-20 с раньше, чем PKP1, имеющие период около 2 с и больше [Gutenberg, 1953; 1958а]. Амплитуды "предвестников" довольно малы, поэтому их легко пропустить при первичной обработке сейсмограмм. Б. Гутенберг [Gutenberg, 1953; 1958а; 19586] предположил, что "предвестники" являются результатом дисперсии в переходной зоне, где короткопериодные волны распространяются быстрее, чем длиннопериодные. Основным аргументом против этой гипотезы является то, что не удается обнаружить постепенное возрастание периодов волн от начала короткопериодного "предвестника" до прихода волны PKP1.
Используя данные о временах пробега сейсмических волн, полученные из записей глубокофокусных землетрясений в окрестности островов Фиджи, Новые Гибриды и Целебес, Нгуен Хай [Hai, 1963] пришел к распределению скорости в ядре, заметно отличному от распределения Г. Джеффриса в промежуточной зоне, простирающейся примерно от глубины 4400 км до границы внутреннего ядра (r было положено равным 1236 км). Предполагалось, что скорость vP непрерывна во внешнем ядре и промежуточной зоне. В интервале глубин 4380 и 4480 км значение vP уменьшалось от 9.91 до 9.86 км/с, а затем возрастало до 9.98 км/с. На границе внутреннего ядра скорость vP изменялась скачком от 10.27 до 10.80 км/с, а затем ее поведение было подчинено распределению Гутенберга для внутреннего ядра, давая в центре vP = 11.24 км/с.
Б. Болт [Bolt, 1962; 1964] предположил, что наличие "предвестников" можно объяснить в рамках лучевой теории, если ввести дополнительную ветвь годографа на расстояниях от 124.0° до 160.0° и соответствующий ей переходный слой с двумя скачками скорости (на глубинах около 5000 км), а в остальном оставить модель Г. Джеффриса (рис. 1).
Р. Адамс и М. Рэндолл [Adams, Randall, 1963; 1964] получили дополнительные наблюдения, которые подтверждают существование еще одной ветви годографа в диапазоне 130.0°-156.5°. Чтобы объяснить эту ветвь, Р. Адамс и М. Рэндолл ввели еще один скачок скорости выше границы
внутреннего ядра (при r = 1980 км). Таким образом, они предложили модель с двумя переходными слоями между внешним и внутренним ядром (рис. 1).
М. Рэндолл в своей работе [Randall, 1970] предложил иное распределение скорости продольных волн во внешнем ядре. В верхней части внешнего ядра он дает значение скорости 8.26 км/с. В нижней части внешнего ядра в интервале глубин 4450-4800 км он дает незначительное уменьшение скорости от 9.946 до 9.890 км/с (рис. 1).
Принципиальным изменением модели Г. Джеф-фриса было устранение отрицательного градиента скорости в зоне F. Отсутствие больших отрицательных градиентов скорости где-либо в ядре было поддержано большинством более поздних исследований. В период 1964-1970 гг. модель Б. Болта, благодаря ее параметрической простоте, часто использовалась для оценки плотности во внутреннем ядре.
В 70-е годы результаты интерпретации "предвестников" подверглись большому сомнению, так как не удавалось получить удовлетворительного распределения скорости в ядре с помощью использовавшейся тогда лучевой теории и объяснить наблюдаемую кривизну годографов (T, 6) "предвестников". Исчерпав все возможности лучевой теории, Д. Клири и Р. Хэддон [Cleary, Had-don, 1972] были вынуждены сделать вывод, что "предвестники", вероятно, следует связывать не с присутствием переходных слоев типа предложенных Б. Болтом и не с какими-либо разрывами непрерывности скоростной кривой во внешнем или внутреннем ядре, а с рассеянием волн PKP на каустике вблизи границы мантия-ядро в зоне D". Они показали, что наблюденные годографы и кажущиеся скорости волн-"предвестников" согласуются с теоретическими кривыми для однократно рассеянных волн.
Д. Дорнбос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.