Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Структурные особенности переходной зоны от внутреннего ядра Земли к внешнему по динамическим характеристикам отраженных волн

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Краснощеков, Дмитрий Николаевич

Введение.

1. Проблематика исследований ядра Земли.

1.1 Формирование и процессы, протекающие в земном ядре.

1.2 Исследования границы внутреннего ядра Земли. Постановка задачи.

2. Цифровые сейсмические данные.

2.1 Выбор данных.

2.2 Станции и каналы регистрации.

2.3 Сейсмические источники.

3. Волны PKiKP и структура перехода внутреннее - внешнее ядро Земли.

3.1 Обнаружение и спектрально-временные характеристики волн PKiKP на расстояниях от 6° до 18°.

3.2 Моделирование волн PKiKP на малых расстояниях.

3.2.1 Метод моделирования.

3.2.2 Выбор параметров и построение синтетических сейсмограмм.

3.3 Обнаружение волн PKiKP на расстояниях от 19° до 90°.

3.3.1 Амплитудные зависимости волн PKiKP от расстояния.

3.3.2 Применение методов поляризационного анализа для обнаружения волн PKiKP.

3.4 Совместная интерпретация экспериментальных и теоретических данных о волнах PKiKP на расстояниях от 6° до 90°.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Структурные особенности переходной зоны от внутреннего ядра Земли к внешнему по динамическим характеристикам отраженных волн"

Настоящая работа посвящена изучению границы внутреннего ядра Земли. Существующие в настоящее время геодинамические модели Земли во многом определяются современными представлениями о процессах, протекающих в жидком и твердом ядре, в частности, на границе между ними. Это объясняется тем, что, в свете последних исследований, именно этот регион является одной из наиболее динамически активных частей Земли, которому обязано своим происхождением большинство явлений, связанных с геомагнетизмом и термической историей: именно здесь происходит затвердевание внутреннего ядра Земли, зарождается структурная конвекция а также, возможно, идет формирование граничного слоя, обусловленного вращением твердого внутреннего ядра в жидком внешнем.

Одним из важнейших структурных элементов описания границы внутреннего ядра Земли может явиться переходная зона в виде высокоскоростного или низкоскоростного слоя в твердом или жидком ядре, либо нерегулярные неоднородности. Современные геодинамические модели Земли отражают несколько различных представлений о возможной природе возникновения этих структурных элементов, основными из которых являются разделение твердой и жидкой фаз и вращение внутреннего ядра Земли.

Изучение особенностей и структурных элементов границы внутреннего ядра Земли требует использования детальных и надежных сейсмических данных. В связи с этим необходимо устранить или максимально снизить ошибки, вносимые неточностью определения координат сейсмических источников, а также их физико-механическими особенностями. В настоящей работе проведено сейсмологическое исследование структуры перехода внутреннее - внешнее ядро Земли по данным подземных ядерных взрывов СССР, США и Китая, зарегистрированных девятью сейсмическими станциями бывшего СССР: Боровое, Зеренда, Восточный, Чкалово, Курчатов, Маканчи, Нарын, Талгар и Фрунзе.

Актуальность работы обусловлена необходимостью получения новых, надежных и детальных данных о строении границы внутреннего ядра Земли, поскольку данные подобного рода открывают путь к решению вопроса о природе геомагнетизма и конвективных явлениях и тем самым дают возможность полнее и точнее описать состав ядра, его динамику, включая возможное вращение, а также эволюцию Земли в целом.

Целью настоящей работы является получение данных о строении границы внутреннее - внешнее ядро Земли, позволяющих улучшить качественное и количественное описание структуры перехода.

В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи:

-обнаружены волны PKiKP на малых расстояниях,

-определена структура перехода внутреннее - внешнее ядро Земли и наиболее предпочтительная конфигурация структурной конвекции вблизи зоны перехода,

- выполнена оценка размеров конвективных неоднородностей.

Научная новизна настоящей работы состоит в том, что впервые был проведен сравнительный анализ синтетических и экспериментальных сейсмограмм волн PKiKP для малых расстояний, на базе которого была исследована применимость различных моделей для описания границы внутреннее - внешнее ядро Земли.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе рассматриваются существующие сейсмические и другие данные и гипотезы о формировании, строении и динамических процессах ядра Земли, а также кратко излагаются геофизические проблемы исследования его границы по материалам публикаций.

Вторая глава посвящена описанию цифровых сейсмических данных, регистрирующей аппаратуры станций и параметров сейсмических источников. Третья глава содержит анализ экспериментальных данных, описание методик и результатов моделирования, сравнительный анализ и интерпретацию полученных результатов. В главе приведены методики обнаружения волн, отраженных от границы внутреннего ядра Земли, результаты корреляционного анализа волновых форм PKiKP, математический аппарат методов моделирования и описание подбора параметров источника в модели Мерфи-Мюллера посредством построения синтетических сейсмограмм первых вступлений продольных волн. Наконец, третья глава включает результаты применения методов поляризационного анализа для обнаружения волн PKiKP на расстояниях более 19 градусов, и совместную интерпретацию всех полученных данных.

Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде стендового доклада на весенней сессии Американского геофизического союза в 1998 году в Бостоне, устного доклада на пленарном заседании Всероссийской конференции "Внутреннее ядро Земли" в Объединенном Институте физики Земли РАН в 2000 году в Москве, устного доклада на пленарном заседании Первой международной конференции "Мониторинг ядерных испытаний и их последствий" в 2000 году в Казахстане, на геофизическом семинаре в Институте динамики геосфер РАН в феврале 2003 года, а также в форме стендового доклада на совместной конференции Европейского геофизического общества (EGS), Американского геофизического союза (AGU) и Европейского союза по геофизическим наукам (EUG) в апреле 2003 года в Ницце.

Публикации. Содержание работы изложено в пяти научных статьях, вышедших в печать в Докладах Академии наук в 1997 году, изданных за рубежом в 1998, 2001 и 2003 годах, а также в Сборнике научных трудов ИДГ РАН в 2002 году.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 80 страниц, из которых - 68 страниц текста, 36 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Краснощеков, Дмитрий Николаевич

Выводы к разделу 3.4

1. Отражающие свойства границы внутреннее-внешнее ядро Земли неоднородны по латерали.

2. Оценка экспериментальных амплитуд волн PKiKP с применением регулярных моделей границы внутреннего ядра Земли может давать значительные ошибки. Для получения удовлетворительного согласования оценок и эксперимента рекомендуется вводить переходный слой толщиной до 5 км со скачком скорости до 10% и плотностью внешнего ядра Земли.

3. Экспериментальные данные о волнах PKiKP свидетельствуют в пользу мозаичной структуры границы внутреннего ядра Земли с характерными размерами пластин 10 - 100 км.

Рис. 3-30. Отражение волн PKiKP от различных точек на поверхности внутреннего ядра с различ ными локальными условиями отражения приводит к значительным вариациям регистри руемых амплитуд волн PKiKP.

Заключение

Приведенные ниже результаты исследования основываются на комплексном анализе динамических характеристик волн, отраженных от границы внутреннего ядра Земли (PKiKP).

1. Значительно расширен набор данных о волнах PKiKP на малых расстояниях, а также добавлены новые важные измерения характеристик волн PKiKP для расстояний до 90 градусов.

2. Подтверждены значительные вариации амплитуд волн PKiKP, на что указывали все предыдущие исследования других авторов.

3. Времена пробега волн PKiKP хорошо согласуются с моделью PREM для всех расстояний имеющегося набора данных (от 6° до 90°).

4. В рамках моделирования волн PKiKP были установлены параметры модели источника Мерфи-Мюллера для Семипалатинского испытательного полигона.

5. Оценка амплитуд волн PKiKP в рамках модели PREM может давать значительные расхождения с экспериментальными данными, для устранения которых необходимо введение локального жидкого переходного слоя на границе внутреннего ядра Земли мощностью не более 5 км и скачком скорости продольных волн не более 10%.

6. Сравнительный анализ синтезированных и экспериментальных волновых форм PKiKP и количественные оценки их амплитуд в диапазоне расстояний от 6 до 90 градусов для моделей перехода внутреннее - внешнее ядро в виде резкой границы и границы с переходной зоной не позволяет сформировать универсальную модель, удовлетворительно согласовывающую весь набор данных о волнах PKiKP, что свидетельствует об изменении отражающих свойств границы по латерали.

7. Изменение отражающих свойств границы по латерали, по-видимому, вызвано формированием в переходной зоне внешнее - внутреннее ядро горячих всплывающих образований, параметры которых отличаются от физических характеристик веществ на обеих сторонах границы. Учитывая распределение точек отражения по поверхности внутреннего ядра Земли, длины волн PKiKP и скорости распространения продольных волн в ядре, масштаб этих неоднородностей можно оценить величинами от 10 до нескольких сотен километров.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Краснощеков, Дмитрий Николаевич, Москва

1. Бочаров B.C., Зеленцов С.А., Михайлов В.Н., Характеристики 96 подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне, Атомная энергия, 67,1989

2. Брагинский С.И., Магнитогидродинамика земного ядра, Геомагнетизм и аэрономия, 4, №5, 898-917, 1964 Брагинский С.И., Структура слоя F и причины конвекции в ядре Земли, Доклады

3. Академии Наук СССР, 149, с. 1311-1314,1963 Жамбю М., Иерархический кластер-анализ и соответствия., М.: Статистика и финансы, 1988

4. Bolt B.A., Qamar. A, An upper bound to the density jump at the boundary of the Earth'sinner core, Nature, 228, no.5267, p. 148 150, 1970 Bolt B.A., Uhrhammer R.A., The Structure, Density and Homogeneity of The Earth's

5. Bullen К. E., Compressibility-pressure hypothesis and the Earth's interior, MNRAS, Geophys. Suppl., 5, p.355-368,1949

6. Bullen К. E., Theoretical travel times of S-waves in the Earth's inner core, MNRAS,

7. Geophys. Suppl., 6, p. 125-128,1950 Busse F.H., Comments on Paper by G.Higgins and G.C. Kennedy, "The adiabatic gradient and the melting point gradient in the core of the Earth", J. Geophys. Res., 77, №8, 1589-1590, 1972

8. Busse F.H., On the free oscillation of the Earth's inner core, J. Geophys. Res., 79, №5, 753-757, 1974

9. Caloi P., Seismic waves from the outer and inner core, Geophys. Journal RAS, 4,130150, 1961

10. Closmann P. J., On the prediction of cavity radius produced by an underground nuclearexplosion, Journal of Geophysical Research, 74, 3935-3939,1969 Creager K.C., Anisotropy of the inner core from differential travel times of the phases

11. Doornbos D.J., Husebye E.S., Analysis of PKP Phases and Their Precursors, Phys. Earth

12. Planet. Int., 5, p.387, 1972 Dziewonski A. M., Gilbert F., Time of formation of the Earth'd core, Nature, 234, p.465-466, 1971

13. Seismol. Soc. Am., 75, 115-130,1985 Julian B. R., Davies D., Sheppard R.M., Observations of PKJKP waves, Nature, 235, 317-318, 1972

14. Res., 88, 1235-1242,1983 Marshall P.D., Porter D., Young J.B., Pearchell P.A., Analysis of short-period seismo-grams from explosions at Novaya Zemlya Test Site in Russia, ARWE Rep. О 2/94 L, 1996

15. Masters T.G., Observational constraints on the chemical and thermal structure of the

16. RAS, 76, 653-666, 1984 Morse S.A., Adcumulus growth of the inner core, Geophys. Res Lett., 13,1557-1560, 1986

17. Mueller R., J.R. Murphy, Seismic characteristics of underground nuclear detonations,

18. NNCRK, Technical documentation, contributed by the National Nuclear Center of the

19. Paulssen H., The share wave speed of the inner core, 2001 AGU Spring Meeting, U41A-02, 2001

20. Phinney R.A., Reflection of acoustic waves from a continuously varying interfacial region, Rev. Geophys. Space Phys., 8, 517-532,1970 Richards P.G., Calculation of body waves, for caustics and tunnelling in core phases,

21. Shearer P., Masters G., The density and shear velocity contrast at the inner core boundary, Geophys. J. Int., 102, 491-498, 1990 Slichter L.B., The fundamental free mode of the Earth's inner core, Proc. Nat. Acad. Sci.

22. USA, 47, 186-190, 1961 Smith M.L., Translational inner core oscillations of a rotating, slightly elliptical Earth, J.

23. Earth and Planetary Interiors, 118, 13-27, 2000 St. Pierre M.G., 8th SEDI Symposium, Abstracts, Los-Angeles, December, 1994

24. Tanaka S., Hamaguchi H., Degree one heterogeneity and hemispherical variation of anisotropy in the inner core from PKPbc-PKPdf times, J. Geophys. Res., 102, 29252938, 1997

25. Yidale E.F., Earle P.S., Fine-scale heterogeneity in the Earth's core, Nature, 404, 273275,2000

26. Wright C., The Origin of Short-Period Precursors to PKP, Bull. Seism. Soc. Am., 65, p.765, 1975