Интерпретация геофизических наблюдений
Для изучения электропроводности земных недр использовали множество методов, однако большая часть сведений о электропроводности мантии получена с помощью метода, который вначале был чисто магнитным. В монографии Бердичевского [2] приведены общий обзор и библиография по этому смешанному электрическому и магнитному (магнитотеллурическому) методу, который широко применяется для определения электропроводности земной коры.
Изложение основ методики, использующей для определения электропроводности только магнитные наблюдения, целиком подчинено здесь выявлению тех ее недостатков, которые важно учитывать при интерпретации данных. Измерения магнитного поля производят в течение длительного времени одновременно в возможно большем числе наземных станций, расположенных на значительных расстояниях одна от другой. Если допустить, что уравнения, описывающие наблюдаемое электромагнитное поле, линейны, то с физической точки зрения целесообразно рассмотреть переменную часть поля и провести надлежащий пространственный и временной анализ этой части на основе ее разложения в ряды ортогональных функций. В частности, мы можем попытаться представить это поле в виде градиента скалярного потенциала и подразделить поверхностное поле на части внутреннего и внешнего происхождения. В связи с тем, что несколько проведенных исследований такого рода опиралось на довольно старые данные, полученные на малом числе станций, нельзя утверждать, что полноценность такого анализа выявлена со сколько-нибудь большой точностью. Тем не менее удалось показать, что для вариаций поля, отличающихся четкой когерентностью (наиболее значимо — для суточных вариаций), использование скалярного потенциала позволяет удовлетворительно описать наблюдения. С той же степенью точности было показало, что внутреннюю и внешнюю части поля можно представить в виде стационарных полей, вращающихся относительно земной оси; при этом амплитуды и расположение фаз не изменяется. Хотя в отдельных местах отмечаются значительные отклонения от описанной простой картины, в целом ее можно интерпретировать как результат электромагнитной индукции во внешне»? индуцирующем поле; во всяком случае, в первом приближении электромагнитные свойства Земли подчинены осевой симметрии. Учитывая большую полноту новых данных, важно в ближайшее время проверить гипотезу, согласно которой источники изменяющегося геомагнитного поля на поверхности Земли располагаются в областях, не пересекающих эту поверхность.
Перейдем теперь от общего утверждения о примерной симметрии электромагнитного поля Земли к вопросу о пространственном распределении электропроводности. Это трудная задача, не имеющая единственного решения. Следует отметить, что внутренняя часть магнитного поля на поверхности Земли отражает объемное влияние вихревых токов. Поэтому не удивительно, что метод магнитной индукции не очень пригоден для выявления структур, которые либо намного меньше, либо намного больше длины, соответствующей толщине скин-слоя в однородных проводниках. Если бы изучение Земли основывалось на поддающихся измерению индуцирующих полях с широким непрерывным спектром частот, то полученная характеристика среды была бы благоприятной для решения поставленной задачи и мы получили бы возможность определить почти однозначно распределение электропроводности. Однако на практике фиксируют лишь естественные вариации геомагнитного поля. Поскольку они наблюдаются только на немногих дискретных частотах, приуроченных к узкому интервалу частот, то решение задачи об электропроводности связано с большими систематическими ошибками. Поэтому любые выводы об электромагнитных свойствах Земли, опирающиеся на анализ индукции, должны сопровождаться не только оценкой погрешностей наблюдения и обработки данных, но и попыткой оценить систематические ошибки. И наконец, что важнее всего, любая модель, претендующая на удовлетворительное объяснение данных, должна описывать также протяженность и положение системы индуцированных токов. Только при таком подходе можно понять, какие элементы модели установлены твердо, а какие сравнительно произвольно. Так, по работе Лахири и Прайса [7], посвященной анализу суточных вариаций поля, сразу можно установить, что сферическая симметрия предложенной ими модели электропроводности относится лишь к «средним» величинам в интервале глубин 500—800 км.
На пути дальнейшего анализа пространственного распределения электропроводности серьезные затруднения возникают в связи с вопросом о влиянии океанов и осадочных слоев. Однако независимо от того, насколько океаны осложняют решение задачи об индукции, особенно трудно обнаружить существование низкой электропроводности на больших глубинах. Согласно анализу, проведенному Лахири и Прайсом, существует слой толщиной около 600 км, электропроводность которого меньше средней электропроводности поверхностного слоя. Данные о суточных и более долгопериодных вариациях поля не позволяют определить электропроводность этого слоя, если она лежит в интервале 0 < σ < 10-4 Ом-1·см-1. Жаль, что не удалось несколько снизить верхнюю границу этого интервала, так как именно от уровня около 10-4 Ом-1·см-1 сведения об электропроводности позволяют уменьшить неопределенность при оценке температуры. Поскольку имеющиеся данные указывают на верхний предел электропроводности, которая для веществ, предположительно слагающих мантию, возрастает с температурой, то возможная температура менее ограничена для тех моделей, в которых предполагается материал — наилучший изолятор. Лабораторные исследования показали, что из веществ, допустимых в верхней мантии, с геохимической точки зрения самым подходящим в качестве «наилучшего изолятора» является монокристалл оливина, состоящего примерно на 90% из форстерита и на 10% из фаялита. Если исходить из этого минерала, то в указанной области с низкой электропроводностью температура не должна превышать 1700 К, хотя ниже глубины 300 км эта оценка теряет свою определенность вследствие возможных там фазовых переходов. Приведенная оценка температуры близка к нижней границе возможных температур, оцениваемых исходя из теории теплопроводности, и, очевидно, требует значительного выноса тепла путем лучистой теплопроводности. Если же электропроводность вещества мантии заметно больше, чем у монокристалла оливина с 90% форстерита, то температуры, согласующиеся с данными об электропроводности, будут меньше любых значений, устанавливаемых по уравнению теплопроводности. Даже без допущения о наличии других фаз оливина, а лишь в предположении либо несколько большего содержания в нем фаялита, либо уменьшения размеров кристаллов значительно меньше 1 мм. пришлось бы снизить верхнюю границу возможных температур не менее чем на 100°С. Поликристалличность вещества мантии, большее содержание железа или присутствие других пород основного состава могут повысить электропроводность, но эти факторы уменьшают теплопроводность, так как усиливают поглощение и рассеивание радиации. В настоящее время результаты экспериментов еще недостаточно ясны и не позволяют категорически утверждать, что имеющиеся данные об электропроводности не согласуются с оценками, опирающимися на теорию переноса тепла за счет теплопроводности. Однако мы очень близки к этому, и если верхний предел электропроводности в рассматриваемой области мантии будет заметно снижен, то вопрос будет решен окончательно. По мнению автора [11], все оценки средней температуры на разных глубинах мантии, опирающиеся на значения теплового потока и теплопроводность, завышены, так как не учитывают гидродинамическую неустойчивость вещества мантии. Они существенно уменьшатся, когда мы лучше узнаем реологию мантии.
Для дальнейших исследований особенно интересны результаты изучения короткопериодных вариаций поля, указывающие на величину электропроводности более 10-2 Ом-1·см-1 на глубинах менее 100 км в весьма локализованных участках мантии. Хотя задачу распределения электропроводности в случае столь малой симметрии решить еще труднее, чем описанную выше, любые указания на такое высокое значение электропроводности и на таких глубинах свидетельствуют о больших отличиях рассматриваемого участка по температуре или составу от окружающей среды. Интерпретация, согласно которой аномальные вариации магнитного поля отражают аномальную электропроводность под отдельными районами Перу и Японии, подкрепляет мысль о том. что температура в этих тектонически активных районах на таких глубинах может быть на несколько сотен градусов выше среднего значения для этих глубин. Поэтому температуру вулканических лав можно использовать только как признак повышенной температуры мантии в данном районе, а не для оценки средней температуры мантии вообще. С другой стороны, известны аномалии поля, например в ФРГ и в заливе Моулд-Бей в Канадском Заполярье, которые не укладываются в предложенную схему. Правда, в этих случаях очень мало данных свидетельствует о том, что аномалии связаны с процессами в мантии. Более вероятно, что причину надо искать в ее составе.
Проводимость веществ, важных для геофизики
Любая приемлемая модель земных глубин должна в основном состоять из окислов, а их электропроводность зависит от многих факторов. С точки зрения геофизического изучения мантии автор расположил эти факторы в порядке убывающей важности следующим образом: температура, степень окисления, поликристалличность и давление. Однако в коре роль давления существенно выше, поскольку оно влияет на пористость пород. Давно известно, что электропроводность пористых пород определяется электролитической проводимостью раствора в порах. Опыты Брейса и др. [3], а также Пархоменко и Бондаренко [8] подтвердили, что непосредственное измерение электропроводности пород при атмосферном давлении п различных температурах представляет пустую трату времени, если речь идет об интерпретации данных по электропроводности нижней части коры и мантии. Так, под давлением, соответствующим всего нескольким десяткам километров глубины, электропроводность пород снижается в тысячи раз, особенно если они насыщены водой.
По-видимому, самые ценные для изучения мантии сведения дают испытания естественных и синтезированных однофазовых минералов, которые предположительно входят в состав мантии, а также простейших окислов, слагающих эти минералы. Можно считать доказанным, что в изоморфном ряду оливина электропроводность минерала, относящегося к форстеритовому концу ряда, представляет собой поверхностное явление, во всяком случае при температурах менее 1000°С, и, вероятно, обусловлена движением ионов. По мере возрастания содержания фаялита до 10% электропроводность увеличивается, по-видимому, примерно в 100 раз, однако четкое представление о природе происходящих изменений все еще отсутствует, так как чистота образцов и степень их окисления не выдерживаются с достаточной точностью. Возрастание электропроводности вследствие поликристалличности достоверно установлено лишь для форстерита. Аналогичные изменения проводимости железосодержащего оливина зависят от степени преобладания объемной электронной проводимости. В общем влияние давления уменьшает влияние поликристалличности [6]. Электропроводность чистого фаялита при температурах ниже 900° С примерно в 104 больше, чем электропроводность оливинов, представляющих интерес для геофизика; полагают, что она сопровождается миграцией валентных состояний железа в кристаллической решетке [4]. Было также показано [1], что переход типа оливин — шпинель в фаялите связан с ростом электропроводности примерно в 100 раз. хотя отсутствие обратного перехода может свидетельствовать о том, что и в этом случае рост обусловлен проводимостью на границах зерен, образующихся при переходе такого типа. Если будет доказано, что аналогичный рост происходит и при фазовом переходе у оливинов, содержащих 10% фаялита, то возникнут серьезные основания пересмотреть наши представления о ходе температурной кривой при углублении в мантию. Если метод Шенкленда [9], вырастившего хороший монокристалл форстерита, позволит синтезировать монокристаллы с заданным атомным составом на всем протяжении изоморфных рядов оливинов и пироксенов, это создаст базу для оценки электропроводности в основных породах. Дальнейшие успехи будут зависеть от разработки теории электромагнитной индукции в Земле.