Граница Мохоровичича | Блог о природе

Граница Мохоровичича

0

84741646 Граница Мохоровичича

Мы живём на верхней поверхности твёрдой земной коры. Снизу кору ограничивает поверхность Мохоровичича. Она же граница, слой, зона, раздел Мохо. Располагается поверхность Мохо в разных географических точках на разных глубинах и не всегда чётко выражена.

Эта поверхность известна тем, что при переходе через неё меняется скорость распространения сейсмических волн. Ниже зоны Мохо (в мантии Земли) скорости распространения сейсмических волн больше, чем над нею, в коре. По изменению скорости волн и была обнаружена поверхность Мохо. Но, если изменяется скорость волн, то это изменение вызвано существенным изменением механических свойств среды, в которой они распространяются. Из механики известно, что скорости распространения продольных и поперечных волн Vp и Vs зависят от плотности среды и её жёсткости:

Vp = sqrt (E/?)

Vs = sqrt (G/?)

E – модуль Юнга, G — модуль сдвига.

То есть, теория и практика механики говорят, что изменение скорости волн в зоне Мохо обусловлено или изменением плотности, или изменением модулей упругости и сдвига. Или и тем, и другим. Кроме того, из анализа тепловых потоков из земных глубин известно, что примерно на той же глубине (в зоне Мохо) существенно увеличивается эффективная теплопроводность земных недр. Ниже зоны Мохо температура растёт гораздо медленнее, чем в коре.

Чем обусловлены эти изменения механических и теплофизических свойств недр?

С одной стороны, они могут быть вызваны изменением термодинамических условий – температуры и давления. Известно, что, из-за существования потока тепла из недр, с глубиной растёт не только литостатическое давление, действующее на вещество недр, но и температура среды. Причём, в среднем, чем выше скорость нарастания температуры с глубиной, тем тоньше земная кора, тем ближе к земной поверхности граница Мохо, на которой меняются свойства среды. Так что для географических точек с надёжно установленной толщиной коры Hi и геотермическим градиентом Gi температура на границе Мохо получается всюду примерно одинаковой и слабо зависящей от глубины её расположения Н (от давления на этой глубине). Поскольку геотермический градиент Gi невозможно измерить на всех глубинах от земной поверхности до границы Мохо, приходится экстраполировать и считать его постоянным по всей глубине коры.

Tmohoi = Gi * Hi ? const ? (900?С ? 1100?С)

Однако далеко не для всех географических точек это так. Если судить по результатам всех измерений, без исключений, то в разных географических точках Tmohoi может быть и 300?С, и 1400?С. Но, в основном, Tmohoi близка к приведённым значениям.

С другой стороны, поверхность Мохо могла бы разделять среды с разными химическими составами.

Но только не для океанической коры, образующейся в зоне спрединга из вещества подстилающей мантии, лежащей ниже зоны Мохо. Для океанической коры граница Мохо разделяет среды, имеющие одинаковый состав. Так что для океанической коры граница Мохо совершенно точно обусловлена не различием состава сред, разделяемых этой границей, а чем-то другим. Здесь, под океаном, граница Мохо разделяет одно и то же вещество в различных состояниях. Поэтому здесь существование границы Мохо может быть обусловлено только различием термодинамических параметров. То есть, по крайней мере, для океанической коры поверхность Мохо является границей между различными состояниями одного и того же вещества, находящегося в разных условиях, при разных давлениях и температуре. Однако и для океанической коры наблюдается очень большой разброс температур слоя Мохо, вычисленных через измеренные геотермические градиенты в этих точках. Наиболее интересен и парадоксален этот разброс температур для коры, имеющей одинаковую толщину (одинаковое давление в зоне Мохо) и одинаковый состав, но находящихся в различных географических точках (в которых проводились измерения градиентов). Очевидно, что одинаковое вещество в одинаковых условиях должно иметь одинаковые свойства. А в данном случае имеем парадоксальное противоречие, несоответствие термодинамических параметров (давления и температуры) наблюдаемым механическим и термодинамическим свойствам вещества. Как будто в разных географических точках одно и то же вещество имеет разные диаграммы состояний (при одном значении Р границе между разными состояниями одного и того же вещества соответствует разные значения Т; Рис 1, а)). Понятно, что такого в природе не может быть. В природе все явления подчиняются объективным закономерностям. После нашего рассмотрения становится ясно, что просто для дна неправильно были измерены параметры (геотермические градиенты), значение которых было экстраполировано на толщину всей коры. Вообще говоря, ошибка может крыться в измерении либо толщины коры, либо геотермического градиента. Но, скорее всего, эта ошибка кроется в измерении именно градиента, поскольку измерение толщины коры достаточно хорошо отработано.

clip image002 thumb Граница Мохоровичича

Рис 1. Разброс температур раздела Мохо

Невозможно представить себе, что при измерении были неправильно считаны показания приборов. Скорее всего, в верхних слоях коры в местах измерений градиентов существовали неучтённые эффективные каналы переноса тепла из глубин к поверхности коры – скажем, потоки воды через капиллярные или даже крупные щели. Такие, как «чёрные курильщики» на дне океана или горячие источники на материках (переносящие тепло с интенсивностью в тысячи киловатт). Или какие-то другие неучтённые явления. Они то и формируют картину распределения температуры в приповерхностном слое коры при среднем тепловом потоке порядка 0.1 Вт/ м2 . В более плотных (без щелей) и более протяжённых нижележащих слоях коры картина нарастания температуры (значений градиента) заведомо иная, чем в доступном для измерений верхнем слое коры.

Поэтому значения Tmohoi, вычисленные через экстраполированные значения Gi, измеренные в сложных условиях, будучи изображёнными на графике, не ложатся на одну линию – границу между различными термодинамическими фазами одного и того же вещества, а образуют целое облако значений, не вызывающих доверия (Рис 1, б)).

В качестве иллюстрации этой ситуации, изображённой на (Рис 1, б)) отметим, что, если мы будем рассматривать вещество в разных точках фазовой диаграммы (при существенно различающихся парах значений Р и Т), таких, в которых свойства вещества радикально отличаются, то понятно, что где-то между точками (обозначаемыми парами координат Р и Т) проходит граница (между фазами вещества), на которой свойства вещества резко изменяются. По одну сторону от этой границы расположено одно состояние вещества (при одних условиях). По другую сторону – другое, при других условиях (Рис 1, в)). Но на Рис 1, б) такую границу провести невозможно из-за неправильно измеренных параметров (как мы считаем).

Отсюда следует вывод: для сложных геологических условий (как на дне океана) более надёжно пользоваться лабораторными измерениями. А применительно к выяснению температуры зоны Мохо под дном океана следует воспользоваться данными о значении температуры фазового перехода Tmohoi при давлении в зоне Мохо (через известную толщину коры в этом месте, как на Рис 1, в)). И, в дальнейшем, использовать эту температуру и толщину коры для вычисления (а не для измерения!) СРЕДНЕГО геотермического градиента в океанической коре (Рис 1, г)). И мы сразу же получим согласованную картину теплопроводности океанического дна, потоков тепла через него, конвекционных потоков, распределения толщины коры и её наклона и так далее.

Пока более глубокие области недр недоступны для непосредственных измерений, поэтому следует пользоваться такими представлениями и значениями параметров (в частности, геотермических градиентов), которые укладываются в согласованную картину механических свойств среды (проявляющихся при распространении волн), распределения температур (известного из наличия источников тепла и теплопроводности среды).

Так какова же природа поверхности Мохо? Существенно выше неё температура и давление таковы, что вещество коры находится в кристаллическом состоянии. Если же в лаборатории создать условия, соответствующие температуре и давлению намного ниже границы Мохо, то вещество океанической коры (и мантии под океаном) будет заведомо находиться в стекловатом состоянии. И где-то между этими далёкими точками (фазовой диаграммы) лежит точка, образующая с множеством других точек поверхность Мохо. В любом случае, граница Мохо существует, и её существование чем-то обусловлено. Исходя из наших рассуждений, мы можем утверждать, что граница Мохо разделяет кристаллическую (всегда твёрдую) и стекловатую фазы базальта (при соответствующем давлении и температуре), твёрдую для быстропротекающих процессов (распространение сейсмических волн) и жидкую в масштабах больших промежутков времени.

Интересные статьи по теме :

  1. Радиоактивность материковой коры и граница Мохо

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: