Как устроена наша Земля?

  Все выпуски  

Как устроена наша Земля? Одномерная, референтная модель Земли.


Проследим эволюцию одномерных референтных моделей Земли (1D моделей) от первой, наиболее значимой в истории сейсмологии одномерной модели – модели Джеффриса – Буллена, и до самых современных одномерных моделей. Развитие одномерных моделей шло итерационным путём, то есть каждая предшествующая модель служит твёрдым и надёжным фундаментом для посторения модели следующего поколения. Которая принимается научным сообществом в результате переоценки всего сейсмологического набора данных о землетрясениях, полученного ранее, а также после получении новых данных, с последующим уточнением самой одномерной модели Земли. При томографических реконструкциях внутренней структуры Земли одномерные модели являются референтными моделями. Это значит, что неоднородные области внутри Земли предстают в форме отличий в большую или меньшую сторону значений скорости сейсмических волн относительно референтной модели Земли.

Особенности скоростных, одномерных моделей Земли.

Одномерная скоростная модель Земли – это кусочно непрерывная функция скорости Р или S волны, зависящей от глубины от поверхности Земли или радиуса исчисляемого от центра Земли к ее поверхности. Функция состоит из непрерывных частей, которые отделяются друг от друга разрывами и переходными зонами. Набор непрерывных и разрывных участков функции определяется детальностью проводимых исследований и применяемыми технологиями. Сейсмология изучает сейсмические волны во вполне определенном диапазоне частот. Это и определяет конструкцию функции, представляющей из себя Референтную модель Земли. На одномерной, скоростной модели выделяются следующие типы особенностей. 1. Непрерывные области, представляющие из себя области с постоянными значениями геофизического параметра. Это внешнее и внутренней ядро Земли для скорости поперечных волн и внутренне ядро для скорости продольных волн. 2. Относительно слабо градиентные зоны. Это внешнее ядро для скорости поперечных волн и Нижняя мантия для скоростей P и S волн. 3. Высоко градиентная зона и для продольных, и для поперечных волн – это переходная зона в низах Верхней мантии. Верхняя мантия над переходной зоной – это относительно высоко градиентная зона. 4. Разрывы функции – это границы, отделяющие Земную кору от Верхней мантии, переходную зону от Верхней и Нижней мантии, Нижнюю мантию от внешнего ядра и внешнее ядро от внутреннего ядра. Указанные особенности были обнаружены в наблюдаемых геофизических данных. 5. Уменьшение скорости приводит к разрыву годографа рефрагированной волны, который часто совпадает с годографом первых вступлений. Разрыв виден на годографе первых вступлений как участок с пониженным значением кажущейся скорости. 6. Положительная градиентная зона в скоростном разрезе приводит к появлению петель на годографе рефрагированной. 7. Положительные скачки скорости приводят к излому годографа первых вступлений.

Модель Джеффриса – Буллена. Таблицы Херрина.

Хронологически, одной из наиболее ранних, современных моделей Земли является модель Джеффриса – Буллена [Jeffreys, H., and K.E. Bullen, 1940 ]. Эта модель послужила надежным фундаментом для всех самых современных моделей.
Jeffreys-Bullen 1-D Earth Model
В процессе накопления данных об объемных телесейсмических волнах, выявились регулярные отличия во временах вступления этих волн от теоретических времен, предсказываемых моделью Джеффриса – Буллена. В результате были уточнены годографы телесейсмических P и S волн, и, соответственно одномерная референтная модель Земли. А сами стандартные годографы Р и S волн получили название Стандартные годографы Херрина [Herrin, 1968]. Для работы с телесейсмическими объемными волнами эти годографы не утратили актуальности до сегодняшних дней. Годограф Херрина представляет из себя детальную таблицу численных значений производных годографов P и S объемных волн в диапазоне эпицентральных расстояний от 00 до 1000 , с шагом 0.50 , для очагов, расположенных на глубинах от 0 до 800 километров (0 км, 15 км, 40 км, 50 км, 75 км, 100 км, 125 км, 150 – 800 км с шагом 50 км.).

МодельPREM.


В 1981 году была опубликована одномерная референтная модель PREM (Preliminary Reference Earth Model) [Dziewonski, A. M., and D. L. Anderson, 1981]. Модель была разработана по заказу Международного Союза по Геодезии и Геофизике (International Union of Geodesy and Geophysics). Союз заказал сферически симметричную модель, которую можно было бы использовать в геодезических и геофизических исследованиях. Модель учитывает все достижения в измерениях и интерпретации свободных колебаний Земли на момент ее создания. Эта модель – еще одна попытка лучше понять и уточнить одномерную референтную модели Земли. Было привлечено большое количество новых данных по кинематическим и динамическим характеристикам объемных и поверхностных сейсмических волн. Для лучшего согласования данных было учтено неупругое рассеяние. Введение анизотропии скоростей (2-4%) в верхних 220 километрах Верхней мантии позволило получить согласованную с исходными данными одномерную референтную модель Земли без обязательного, как предполагалось ранее, слоя с пониженным значением скорости в верхней мантии Земли, то есть глобального волновода. Этот вывод, как нам представляется, был наиболее существенным с точки зрения понимания внутреннего устройства Земли в свете новой глобальной тектоники плит. В соответствии с базовыми гипотезами, лежащими в основе Тектоники плит, глобальные плиты плавали и перемещались на относительно размягченном субстрате, располагающемся в верхней части Верхней мантии Земли. Этот сферический слой и должен был проявить себя, как слой с пониженной скоростью. Но структурно - сейсмологические исследования Верхней мантии Земли не выявляли этого, предположительно повсеместно развитого волновода. Во многом, именно создание модель PREM было призвано объяснить причину подобного противоречия. Модель послужила эталоном для ряда трехмерных моделей Земли. Последующие измерения собственных частот Земли дают систематические расхождения с моделью PREM. Имеются и другие несогласия с вновь получаемыми данными. Например 220 километровая граница не нашла подтверждения при анализе отраженных волн [Shearer P.M., 1991].

Скоростная модель IASP91.

В 1991 году была представлена одномерная скоростная модель IASP91 [Kennett, B. L. N., E. R. Engdahl E. R., 1991]. Модель разрабатывалась в течение трех лет специальной подкомиссией по землетрясениям Ассоциации по Сейсмологии и Физике Земных Недр (IASPEI). Основная цель работ – создание новых глобальных таблиц годографов сейсмических фаз, которые обновят стандартный годограф Джеффриса – Буллена (1940) и модель PREM(1981).
IASP 91 Earth Reference Model

Скоростная модель SP6.

Результаты еще однй попытки обобщения данных с целью построения референтной модели Земли были представлены в 1993 году [Morelli, A., Dziewonski A. M., 1993]. Модель получила индекс SP6. Авторы модели SP6следовали руководству, разработанному рабочей группой IASP91. Ими были изучены годографы объемных волн для нескольких фаз сейсмических волн, наиболее часто приводимых в бюллетенях МСЦ и была предложена модель скоростей Р и S волн, соответствующая этим данным. А конкретно, данные по ~ 16000 хорошо записанных мелкофокусных землетрясений за 24 года (1964 – 1987 гг) были обращены в одномерную скоростную модель с учетом поправок за горизонтальную скоростную неоднородность. Используя полученную скоростную модель SP6, были рассчитаны обобщенные годографы P, PcP-P, PKPAB, PKPBC, PKIKP и S волн. Ограничения для скоростей в верхах внешнего ядра получены по данным SKS и SKKS-SKS [Hales A. L., Roberts J. L., 1970, 1971]. Для Верхней мантии результаты модели SP6 отличаются от модели IASP91 лишь немного более повышенным значением скоростей Р и S волн в диапазоне глубин между 410 и 660 километрами. В Нижней мантии было получено более низкое значение градиента скорости. Что совпадает с моделью PREM. В верхах внешнего ядра скорость Р-волн меньше, чем в PREM. Скачок скорости на границе внутреннего ядра уменьшен до 0.62 км/с. Новый радиус внутреннего ядра – 1215.00 км. Рассчитанные по модели SP6 годографы заметно отличаются от IASP91, хотя в целом менее чем на 1.0 секунду. Для SKS и SKKS различия больше.

Скоростная модель AK135

В 1995 году была представлена скоростная модель AK135 [Kennett, B. L. N., Engdahl, E. R., Buland R., 1995]. Эта модель обеспечила значительно лучшее приближение для большого количества сейсмических фаз, чем это было для моделей SP6 и IASP91.
AK135 PREM
Различия между моделью AK135 и моделями SP6 и IASP91 в целом незначительные, кроме границы Внутреннего ядра Земли. Для этой границы был уменьшен градиент скорости, что привело к достижению удовлетворительных результатов для дифференциала годографа РКР фазы. При построении таблиц AK135 использованы экспериментальные годографы от землетрясений, для которых были переопределено положение очагов с использованием таблиц IASP91. То есть, таблицы AK135 можно рассматривать как следующую итерацию (после IASP91) расчета теоретических годографов. Скоростная модель AK135, как и модель IASP91 радиально стратифицированная.
AK135 Rays TT-0km
Теоретические годографы Р – волн, расчитанные для моделиAK135,очень близки к теоретическим годографам, рассчитанным для модели IASP91. Более значимы отличия для годографа S волн и в частности для фаз, проникших в ядро Земли. Таблицы AK135 были использованы для систематического перерасчета положения очагов землетрясений [Engdahl, E.R.,van der Hilst, R., Buland, R., 1998] и последующего обновления каталога этих землетрясений.

Работы по уточнениюодномерной референтной модели Земли.

Прогресс в развитии одномерных референтных моделей Земли достиг такого уровня, что встает актуальный вопрос о целесообразности дальнейшего уточнения единой для всей Земли референтной модели.В настоящее время ведутся работы по улучшению одномерной референтной модели Земли. И, прежде всего это касается наиболее значимых особенносте этой модели таких, как:
- граница 220: возможно ли, чтобы природа границы 220 была обусловлена анизотропией сейсмических скоростей, а не с изменением скорости с глубиной;
- граница 410: местоположение границы 410 и насколько эта граница изменчива в пространстве;
- граница 520: местоположение границы 520 и насколько эта граница изменчива.Является ли граница 520 повсеместной, глобальной;
- граница 660. Местоположение границы 660 и насколько эта граница изменчива.

Очень актуальны вопросы:
1. Имеются ли глобальные границы в Нижней мантии.
2. Учет сферичности Земли при выборе ее осредненной структуры.
3. Степень детальности одномерной референтной модели Земли.
4. Учёт анизотропии сейсмических скоростей.
5. Совместное, согласованное использование данных по Р и S волнам.
6. Методология пересчета данных структурной сейсмологии в плотностную модель Земли.
7. Насколько допустимо использовать единую одномерную референтную модель Земли при реконструкции внутренней структуры Земли под континентами и океанами; под платформами и складчатыми областями и другими крупнейшими геотектоническими образованиями. Какую референтную модель использовать при реконструкции.
8. Как согласовывать томографические реконструкции, выполненные на базе региональных одномерных референтных моделей.

Литература.

Jeffreys, H., and K.E. Bullen, 1940. Seismological Tables. London: British Association for the Advancement of Science.
Herrin E. Seismological tables for P-phases // Bull. seism. soc. am. – 1968. – 60. – P. 461–489
Dziewonski, A. M., and D. L. Anderson, 1981. Preliminary reference Earth model, Phys. Earth Planet. Inter., 25, 297–356.
Shearer P.M., 1991. Constrains on Upper Mantle Discontinuities From Observation of Long-Period Reflected and Converted Phases. Journal of Geophysical Research, vol.96, No B11, p. 18,147 – 18,182, October 10, 1991.
Kennett, B. L. N., E. R. Engdahl E. R., 1991. Traveltimes for global earthquake location and phase identification. Geophysical Journal International 122, 429–465.
Morelli, A., Dziewonski A. M., 1993. Body-wave traveltimes and a spherically symmetric P- and S-wave velocity model. Geophysical Journal International 112, 178–184.
Hales, A. L., Roberts, J. L., 1970. The travel times of S and SKS. Bull. Seism. Soc. Am., v. 60, p. 461
Hales A. L., Roberts J. L., 1971. The velocities in the outer core. Bulletin of the Seismological Society of America; August 1971; v. 61; no. 4; p. 1051-1059
Kennett, B. L. N., Engdahl, E. R., Buland R., 1995. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes. Geophysical Journal International 122, 108–124.
Engdahl, E.R.,van der Hilst, R., Buland, R., 1998. Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures for depth determination. Bull. Seismol. Soc. Am., v. 88, 722-743.

В избранное