Новые факты и старые представления о нижней мантии Земли

По традиционным представлениям, нижняя мантия Земли однородна, а скорость сейсмических волн в результате влияния температуры и большого давления плавно изменяется с глубиной. Правда, в прошлом Б. Гутенберг и Д. Рихтер обнаружили в нижней мантии несколько особенных зон, где скорость сейсмических волн резко возрастала. Однако лишь недавно, изучая сейсмические годографы, удалось установить строение мантии более достоверно.

Сейсмический годограф — это графическая зависимость времени пробега упругих волн от эпицентрального расстояния. Годограф обладает интересным свойством: наклон кривой на определенном расстоянии от эпицентра землетрясения определенным образом связан со значением скорости упругих волн на больших глубинах. При измерении времени пробега сейсмических волн вкрадываются ошибки: мы не знаем точного момента начала землетрясения и координат его очага, а также не умеем учитывать неоднородность верхних слоев Земли между точками наблюдений. В результате, построенный скоростной разрез может оказаться ненадежным. Как же быть?

Лучше всего измерять непосредственно разности времени прихода сейсмических волн в некоторые близко расположенные пункты наблюдений. Тогда построенный скоростной разрез окрашивается многими и важными деталями.

Профессор Джонсон (США) в Сейсмологической обсерватории Тонто Форест выполнил исследование по наблюдениям сейсмической группы в центре штата Аризона. Группа включает 12 сейсмометров, расположенных по двум взаимно-перпендикулярным линиям протяженностью 325 и 285 км. Были изучены записи более 200 землетрясений (на удалениях 30—100° от эпицентра). Все записи оказались близкими, кроме района Срединно-Атлантического хребта. Здесь геофизики давно отмечают аномалии гравиметрического поля, теплового потока и скоростей под границей Мохоровичича. Все это, вероятно, сказалось и на поведении упругих волн. Джонсон предполагает, что под Срединным хребтом есть зоны пониженных скоростей сейсмических волн. Скоростной разрез, построенный им, отличается от классической схемы строения Земли, предложенной Джеффрисом. То же можно сказать и о скоростных разрезах, построенных за последние 10 лет другими авторами.

Результаты систематических наблюдений свидетельствуют о неоднородности нижней мантии: зоны быстрого или замедленного роста скоростей сейсмических волн приходятся на глубины 900—1000 км, 1200—1300 км, 1900—2000 км. Интересно, что разные авторы получают для одних и тех же глубин довольно близкие абсолютные значения скоростей.

Новые исследования вносят вклад и в проблему ядра Земли. Джонсон настаивает на самой большой из известных оценок радиуса ядра — 3481 ± 2 км: «В своих исследованиях я был сколь возможно последователен и кропотлив, так что полученный результат можно считать непредубежденной оценкой истинного разреза Земли».