पृथ्वी का अंतरंग, तरल, प्रत्यास्थता व भूकंपीय तरंगें

यह अध्याय भूविज्ञान एवं भूभौतिकी (GG) पेपर के भाग B2 के शीर्षक “Seismology and Interior of the Earth” के पहले आधे भाग का उत्तर देता है: “पृथ्वी के घनत्व, वेग, दाब, तापमान, विद्युतीय व चुंबकीय गुणों में परिवर्तन; संरक्षण नियम, न्यूटन का श्यानता नियम, धारारेखीय व विक्षुब्ध प्रवाह के तत्त्व; प्रत्यास्थता सिद्धांत के तत्त्व: प्रतिबल व विकृति प्रदिश, व्यापीकृत हुक नियम; पिंड व पृष्ठ तरंगें; घूर्णी, आयतन-परिवर्ती, अघूर्णी व समआयतनिक तरंगें; प्रत्यास्थ तरंगों का परावर्तन व अपवर्तन; असमांगी व क्षयी तरंगें तथा परिबद्ध तरंगें; आइकोनल समीकरण व किरण सिद्धांत; प्रत्यास्थ माध्यम में तरंग-संचरण, भूकंपीय टोमोग्राफी।” शेष भाग, परावर्तन व अपवर्तन से आगे, अध्याय 2 में है। यह अध्याय अंतरंग के त्रिज्य-प्रोफ़ाइल, उसके तापमान, चालकता व चुंबकत्व, संरक्षण नियम व श्यान प्रवाह, प्रतिबल, विकृति व हुक नियम, तथा तरंग-समीकरण व उसके तरंग-प्रकार पढ़ाता है। संख्यात्मक प्रश्न हैं: लामे स्थिरांकों से Vp व Vs, पॉयसन अनुपात, एडम्स–विलियमसन प्रवणता, रेनॉल्ड्स संख्या तथा विद्युत-चुंबकीय त्वचा-गहराई।

1. पृथ्वी की परतें: गहराई के साथ घनत्व, वेग व दाब

पृथ्वी परतदार है: महाद्वीपों पर लगभग 35 km और महासागरों के नीचे लगभग 7 km मोटी भूपर्पटी, लगभग 2890 km गहराई तक प्रावार, लगभग 5150 km तक द्रव बाह्य क्रोड और केंद्र (6371 km) तक ठोस अंतः क्रोड। सीमाएँ भूकंपीय असंततताओं के रूप में दिखती हैं: मोहो, 410 व 660 km के निकट संक्रमण-मंडल की छलाँगें (ऑलिवीन के प्रावस्था-परिवर्तन), क्रोड–प्रावार सीमा (CMB) तथा अंतः क्रोड सीमा (ICB)। सारणी मानक एकविमीय मॉडलों के पूर्णांकित मान देती है।

त्रिज्य संरचना (पूर्णांकित सन्निकट मान)
परतगहराई (km)Vp व Vs (km/s)घनत्व (g/cm³)
भूपर्पटी0 से 7 या 356 से 7 / 3.52.7 से 3.0
ऊपरी प्रावार410 तक8 से 9 / 4.5 से 53.3 से 3.5
संक्रमण-मंडल410 से 6609 से 11 / 5 से 63.5 से 4.4
निचला प्रावार660 से 289011 से 13.7 / 6 से 7.34.4 से 5.6
बाह्य क्रोड2890 से 51508 से 10.3 / 09.9 से 12.2
अंतः क्रोड5150 से 637111 से 11.3 / लगभग 3.512.8 से 13.1

दाब dP/dz = ρ g का अनुसरण करता है, ऊपरी प्रावार में लगभग 32 MPa प्रति km, अतः 1 GPa लगभग 30 km पर है। 2900 kg/m³ घनत्व की 35 km भूपर्पटी के आधार पर यह 2900 × 9.8 × 35 000 ≈ 1.0 GPa है। CMB पर यह लगभग 136 GPa और केंद्र पर लगभग 364 GPa तक पहुँचता है। गुरुत्व प्रावार में लगभग 10 m/s² रहता है, CMB पर लगभग 10.7 m/s² का शिखर पाता है और केंद्र पर शून्य हो जाता है। घनत्व संपीडन, प्रावस्था-परिवर्तनों व लौह-समृद्ध क्रोड से बढ़ता है: मोहो के नीचे लगभग 3.3 g/cm³ से CMB के ऊपर 5.6 तक, फिर बाह्य क्रोड में लगभग 9.9 की छलाँग और केंद्र पर लगभग 13। वेग अधिकांशतः गहराई के साथ बढ़ते हैं, पर दुर्बलतामंडल में निम्न-वेग मंडल (low-velocity zone) है (सॉलिडस के निकट तापमान, थोड़ा गलित पदार्थ), CMB पर Vp लगभग 13.7 से घटकर लगभग 8 km/s रह जाता है, और बाह्य क्रोड में Vs शून्य है।

समांगी, भली-भाँति मिश्रित, रुद्धोष्म परत हेतु घनत्व-प्रवणता भूकंपीय प्राचल φ = K_s/ρ = Vp² − (4/3)Vs² से मिलती है, जो एडम्स–विलियमसन समीकरण dρ/dz = ρ g/φ देता है। हल उदाहरण। ρ = 3300 kg/m³, g = 9.9 m/s², Vp = 8.5 km/s व Vs = 4.7 km/s से φ = 72.25 − 29.45 = 42.8 km²/s² = 4.28×10⁷ m²/s², अतः dρ/dz = 3300 × 9.9 / 4.28×10⁷ = 7.6×10⁻⁴ kg/m⁴, यानी 0.76 kg/m³ प्रति km। वास्तविक घनत्व 410 व 660 km के प्रावस्था-परिवर्तनों और D″ के आर-पार तेज़ बढ़ता है, जहाँ मान्यताएँ विफल हो जाती हैं।

ℹ️ हम कैसे जानते हैं कि बाह्य क्रोड द्रव और अंतः क्रोड ठोस है
S तरंगें CMB पार नहीं करतीं, क्योंकि द्रव में अपरूपण गुणांक नहीं होता, और वेग-ह्रास से P तरंगें इतनी तीव्र मुड़ती हैं कि लगभग 103° से 142° दूरी तक छाया-क्षेत्र बनता है। इंगे लेहमान (Inge Lehmann, 1936) ने दिखाया कि P तरंगें अधिक गहरी सीमा से लौटती हैं, और बाद के कार्य में अंतः क्रोड में अशून्य अपरूपण-तरंग चाल मिली, अतः वह ठोस है।

2. अंतरंग का तापमान, विद्युतीय व चुंबकीय गुण

तापमान स्थलमंडल में तीव्र व चालनी है, फिर D″ पर तप्त सीमा-परत सहित लगभग 0.3 से 0.5 K/km वाले प्रावार रुद्धोष्म वक्र का अनुसरण करता है (देखें ऊष्मा-प्रवाह अध्याय)। भूकंपीय तरंगें तापमान सीधे नहीं पढ़तीं। उसे उन गहराइयों से, जहाँ प्रयोगशाला के प्रावस्था-परिवर्तन होते हैं (410 व 660 km), और ICB पर लौह-मिश्रधातु के गलन से बाँधा जाता है, अतः ICB का तापमान, जो 5000 K की कोटि का है, लगभग 330 GPa पर गलनांक है। CMB कई हज़ार केल्विन पर है।

विद्युत-चालकता σ गहराई के साथ तीव्रता से बढ़ती है क्योंकि खनिजों में चालन ऊष्मा-सक्रियित है, σ = σ₀ exp(−E/kT)। शुष्क भूपर्पटी की चट्टान कुचालक है, प्रावार उथले ऊपरी प्रावार में लगभग 10⁻³ से 10⁻² S/m से निचले प्रावार में 1 S/m या अधिक की कोटि तक जाता है, और द्रव-लौह बाह्य क्रोड 10⁵ से 10⁶ S/m वाली धातु है। इसे मैग्नेटोटेलुरिक्स (magnetotellurics) व भू-चुंबकीय गहराई-ध्वनन से टटोला जाता है, जिसमें प्राकृतिक क्षेत्र-परिवर्तनों की भेदन-गहराई त्वचा-गहराई (skin depth) δ = √(2/(ωμ₀σ)) ≈ 503 √(ρ/f) मीटर है, जहाँ प्रतिरोधकता ρ = 1/σ Ω·m में और आवृत्ति f Hz में है। उदाहरण: ρ = 100 Ω·m व f = 0.01 Hz से 503 × 100 ≈ 50 km, और कम आवृत्तियाँ अधिक गहरा टटोलती हैं।

चुंबकीय गुण। मैग्नेटाइट जैसे लौहचुंबकीय खनिज क्यूरी तापमान (मैग्नेटाइट हेतु लगभग 580 °C) से ऊपर अपना स्वतः चुंबकत्व खो देते हैं, जो कुछ दसियों किलोमीटर की गहराई पर पहुँच जाता है। अतः भूपर्पटी अवशिष्ट चुंबकत्व रख सकती है, जिससे लघु-तरंगदैर्घ्य विसंगतियाँ बनती हैं, पर प्रावार नहीं रख सकता। मुख्य भू-चुंबकीय क्षेत्र, जो अधिकांशतः सतह पर कुछ दसियों µT का द्विध्रुव है, बाह्य क्रोड में डायनमो (dynamo) से बनता है, जिसे घूमता, संवहन करता, विद्युत-चालक तरल चाहिए। चालक प्रावार सबसे तेज़ क्षेत्र-परिवर्तनों को छान देता है।

3. संरक्षण नियम, न्यूटन का श्यानता नियम, धारारेखीय व विक्षुब्ध प्रवाह

संरक्षण नियम (conservation laws) सांतत्यक यांत्रिकी का आधार हैं। द्रव्यमान: ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0, जो असंपीड्य तरल हेतु ∇·v = 0 है। संवेग: ρ Dv/Dt = ∇·σ + ρg, जो श्यान असंपीड्य तरल हेतु नेवियर–स्टोक्स समीकरण ρ Dv/Dt = −∇p + η∇²v + ρg है। ऊर्जा: प्रथम नियम, जो ऊष्मा-समीकरण देता है। छोटे विस्थापन u वाले ठोस हेतु संवेग-नियम ρ ∂²u/∂t² = ∇·σ + f बन जाता है, जो भूकंपीय तरंगों का आरंभ-बिंदु है।

न्यूटन का श्यानता नियम (Newton’s law of viscosity) कहता है कि अपरूपण प्रतिबल वेग-प्रवणता के अनुक्रमानुपाती है, τ = η dv/dy, जहाँ गतिक श्यानता η Pa·s में है (पानी लगभग 10⁻³, प्रावार 10²⁰ से 10²²)। शुद्धगतिक श्यानता ν = η/ρ है। हल उदाहरण। स्थिर पट्ट व 0.5 m/s से चलते पट्ट के बीच 2 mm मोटी परत, η = 0.1 Pa·s हेतु, τ = 0.1 × 0.5 / 0.002 = 25 Pa वहन करती है। प्रावार-विसर्पण सख़्ती से न्यूटनी नहीं है (विकृति-दर प्रतिबल से तेज़ बढ़ती है), अतः भूभौतिकीविद् प्रभावी श्यानता बताते हैं।

  • धारारेखीय प्रवाह (laminar flow) चिकनी परतों में चलता है। स्थिर व गतिमान पट्ट के बीच कूएट प्रवाह (Couette flow) का वेग-प्रोफ़ाइल रैखिक और अपरूपण प्रतिबल एकसमान ηU/h होता है। त्रिज्या R की नली में प्वाज़ेई प्रवाह (Poiseuille flow) का प्रोफ़ाइल परवलयिक v(r) = (ΔP/4ηL)(R² − r²), माध्य चाल अधिकतम की आधी और निस्सरण Q = πR⁴ΔP/(8ηL) होता है, अतः त्रिज्या दुगुनी करने पर Q सोलह गुना हो जाता है। समानांतर दीवारों के बीच अंतराल h से प्रति इकाई चौड़ाई Q = h³ΔP/(12ηL) मिलता है, यह एक कारण है कि चौड़ी डाइकें मैग्मा को इतनी अच्छी तरह ले जाती हैं।
  • विक्षुब्ध प्रवाह (turbulent flow) अव्यवस्थित है, जिसमें भँवरें संवेग व ऊष्मा को आणविक विसरण से कहीं अधिक प्रभावी ढंग से ले जाती हैं, माध्य वेग-प्रोफ़ाइल अधिक चपटा होता है और कर्ष (drag) लगभग v² की तरह बढ़ता है।

रेनॉल्ड्स संख्या (Reynolds number) Re = ρ v L/η = vL/ν जड़त्वीय व श्यान बलों का अनुपात है। नली में प्रवाह लगभग 2000 से कम Re पर धारारेखीय और लगभग 4000 से अधिक पर विक्षुब्ध होता है, बीच में संक्रमण-परिसर रहता है। ρ = 2700 kg/m³, चाल 0.5 m/s, गहराई 2 m व η = 100 Pa·s वाले लावा हेतु Re = 27, धारारेखीय; 0.1 m नली में 0.5 m/s पर पानी हेतु Re = 5×10⁴, विक्षुब्ध। प्रावार में Re लगभग 10⁻²⁰ है, अतः जड़त्व नगण्य है और प्रवाह धीमा, विसर्पी है; बाह्य क्रोड में Re अत्यधिक है।

⚠️ Re में सही लंबाई चुनें
L के रूप में नली का व्यास (या नाली हेतु प्रवाह-गहराई) लें, और सर्वत्र SI इकाइयाँ रखें। 2000 व 4000 की देहलियाँ नली-प्रवाह की हैं; अन्य ज्यामितियों के क्रांतिक मान भिन्न हैं, और बहुत छोटे Re का अर्थ यह नहीं कि प्रवाह धीमा है, केवल यह कि श्यानता प्रभावी है।

4. प्रत्यास्थता: प्रतिबल व विकृति प्रदिश तथा व्यापीकृत हुक नियम

किसी बिंदु पर प्रतिबल (stress) सममित द्वितीय-कोटि प्रदिश σ_ij है। इकाई अभिलंब n वाले पृष्ठ पर कर्षण t_i = σ_ij n_j है। विकर्ण पद अभिलंब प्रतिबल और विकर्णेतर पद अपरूपण हैं; σ_ij = σ_ji (घूर्णी साम्य) से छह स्वतंत्र घटक बचते हैं, और तीन मुख्य प्रतिबल उन अक्षों पर लगते हैं जहाँ अपरूपण शून्य होता है। भूकंप-विज्ञान तनाव को धनात्मक गिनता है, जबकि भूविज्ञान का बड़ा भाग संपीडन को, अतः परिपाटी जाँचें। छोटे विस्थापन u हेतु विकृति (strain) ε_ij = ½(∂u_i/∂x_j + ∂u_j/∂x_i) है, फिर सममित व छह घटकों वाली। उसका अनुरेख ε_kk = ∇·u प्रति इकाई आयतन आयतन-परिवर्तन (प्रसार, dilatation) है, और प्रतिसममित भाग ½(∂u_i/∂x_j − ∂u_j/∂x_i) दृढ़ घूर्णन है जो कोई प्रतिबल नहीं बनाता।

व्यापीकृत हुक नियम (generalised Hooke’s law) रैखिक है: σ_ij = c_ijkl ε_kl। इसके 81 स्थिरांक σ व ε के सममित होने से 36 रह जाते हैं, और विकृति-ऊर्जा फलन के अस्तित्व से 21, जो सर्वाधिक व्यापक विषमदैशिक ठोस है। अनुप्रस्थ समदैशिकता (संरेखित ऑलिवीन, महीन परतें) को 5 और समदैशिक ठोस को केवल 2 चाहिए: σ_ij = λ δ_ij ε_kk + 2μ ε_ij, जहाँ लामे स्थिरांक λ और अपरूपण गुणांक (दृढ़ता) μ है। तरल में μ = 0 और σ_ij = −p δ_ij होता है।

समदैशिक ठोस के प्रत्यास्थ गुणांक
राशिअर्थλ व μ के पदों में
अपरूपण गुणांक μअपरूपण प्रतिबल ÷ अपरूपण विकृतिμ
आयतन-प्रत्यास्थता गुणांक Kदाब ÷ आंशिक आयतन-परिवर्तनλ + 2μ/3
यंग गुणांक Eअक्षीय प्रतिबल ÷ अक्षीय विकृतिμ(3λ + 2μ)/(λ + μ)
पॉयसन अनुपात ν− पार्श्व विकृति ÷ अक्षीय विकृतिλ / (2(λ + μ))

सामान्य पदार्थों हेतु पॉयसन अनुपात 0 से 0.5 के बीच है (असंपीड्य तरल हेतु 0.5) और अधिकांश चट्टानों हेतु लगभग 0.2 से 0.3 के बीच। पॉयसन ठोस (Poisson solid) में λ = μ और ν = 0.25 है। हल उदाहरण। λ = 20 GPa व μ = 15 GPa से K = 20 + 10 = 30 GPa, E = 15 × 90 / 35 = 38.6 GPa और ν = 20/70 = 0.286।

5. तरंग-समीकरण, पिंड व पृष्ठ तरंगें तथा चार नाम

समांगी, समदैशिक, पिंड-बल-रहित माध्यम हेतु संवेग-नियम में हुक नियम रखने पर प्रत्यास्थ तरंग-समीकरण ρ ∂²u/∂t² = (λ + 2μ) ∇(∇·u) − μ ∇×(∇×u) मिलता है। u = ∇φ + ∇×ψ लिखने पर (हेल्महोल्ट्ज़ वियोजन, अदिश विभव φ व सदिश विभव ψ सहित) यह दो तरंग-समीकरणों में बँट जाता है, ∇²φ = (1/α²) ∂²φ/∂t² और ∇²ψ = (1/β²) ∂²ψ/∂t², जहाँ α = √((λ + 2μ)/ρ) व β = √(μ/ρ)। समतल आवर्ती तरंग u = A exp[i(k·x − ωt)] की कला-चाल c = ω/k और तरंगदैर्घ्य c/f है; 5 km/s पर 5 Hz की तरंग का तरंगदैर्घ्य 1 km है।

  • P तरंग: u = ∇φ, अतः ∇×u = 0 (अघूर्णी) और ∇·u ≠ 0 (आयतन-परिवर्ती, आयतन बदलती है)। गति संचरण-दिशा के अनुदिश है (अनुदैर्घ्य, संपीडनात्मक)। यह तेज़ तरंग है और ठोसों व तरलों में चलती है।
  • S तरंग: u = ∇×ψ, अतः ∇·u = 0 (समआयतनिक, आयतन नहीं बदलता) और ∇×u ≠ 0 (घूर्णी)। गति अनुप्रस्थ है, जो SV (संचरण के ऊर्ध्वाधर तल में) और SH (क्षैतिज) में वियोजित होती है। यह तरल में नहीं चल सकती क्योंकि μ = 0।
पिंड व पृष्ठ तरंगें
तरंगकण-गतिचालटिप्पणी
Pकिरण के अनुदिशα = √((K + 4μ/3)/ρ)सबसे तेज़; ठोस व तरल
Sकिरण के लंबवत: SV, SHβ = √(μ/ρ)केवल ठोस
रैलेऊर्ध्वाधर तल में प्रतिगामी दीर्घवृत्तलगभग 0.92 βमुक्त पृष्ठ; लगभग एक तरंगदैर्घ्य तक सीमित
लवक्षैतिज, अनुप्रस्थ (SH प्रकार)परत व अर्ध-समष्टि के β के बीचधीमी पृष्ठ परत चाहिए
🧠 चार नाम, दो तरंगें
आयतन-परिवर्ती = अघूर्णी = P; घूर्णी = समआयतनिक = S। पिंड तरंगें तीन विमाओं में फैलती हैं और 1/r से घटती हैं, जबकि पृष्ठ तरंगें पृष्ठ पर फैलती हैं और 1/√r से घटती हैं, अतः उथले भूकंपों के दूरस्थ अभिलेखों में पृष्ठ तरंगें प्रभावी रहती हैं।

6. तरंग-चालें, गुणांक व पॉयसन अनुपात

मुख्य संबंध Vp = √((λ + 2μ)/ρ) = √((K + 4μ/3)/ρ) और Vs = √(μ/ρ) हैं, अतः (Vp/Vs)² = (λ + 2μ)/μ = 2(1 − ν)/(1 − 2ν) और ν = (Vp² − 2Vs²) / (2(Vp² − Vs²))। पॉयसन ठोस (λ = μ, ν = 0.25) हेतु Vp/Vs = √3 ≈ 1.73। तरल हेतु μ = 0, अतः Vs = 0, ν = 0.5 और Vp = √(K/ρ)। चूँकि K > 0, किसी भी ठोस में Vp को (2/√3) Vs ≈ 1.155 Vs से अधिक होना चाहिए, और भूपर्पटी की चट्टानों का Vp/Vs लगभग 1.7 से 1.8 है।

हल उदाहरण। ρ = 2500 kg/m³, λ = 20 GPa, μ = 15 GPa। Vp = √(50×10⁹/2500) = 4472 m/s ≈ 4.47 km/s, Vs = √(15×10⁹/2500) = 2449 m/s ≈ 2.45 km/s, अतः Vp/Vs = 1.83। जाँच: ν = (20 − 12)/(2 × (20 − 6)) = 0.286, जो λ/(2(λ + μ)) = 20/70 के बराबर है। यदि केवल अनुपात Vp/Vs = 1.8 ज्ञात हो, तो ν = (3.24 − 2)/(2 × 2.24) = 0.277।

🧠 इकाई का लघुमार्ग
यदि गुणांक GPa में और घनत्व g/cm³ में हों तो चाल सीधे km/s में आती है: √(50/2.5) = 4.47। GPa को kg/m³ के साथ बिना बदले मिला देना सबसे प्रचलित संख्यात्मक भूल है।

मुख्य बिंदु

  • पृथ्वी में भूपर्पटी, लगभग 410 व 660 km पर छलाँगों वाला प्रावार, द्रव बाह्य क्रोड (Vs = 0, CMB पर Vp लगभग 13.7 से 8 km/s तक घटता है) और ठोस अंतः क्रोड हैं। दाब dP/dz = ρg का अनुसरण करता है (CMB पर लगभग 136 GPa) और समांगी रुद्धोष्म परत हेतु घनत्व-प्रवणता dρ/dz = ρg/φ का।
  • विद्युत-चालकता गहराई के साथ बढ़ती है (प्रावार लगभग 1 S/m, बाह्य क्रोड 10⁵ से 10⁶ S/m) और त्वचा-गहराई 503√(ρ/f) m तय करती है। चुंबकत्व हेतु क्यूरी बिंदु से कम तापमान चाहिए, अतः केवल भूपर्पटी चुंबकित है और मुख्य क्षेत्र बाह्य क्रोड के डायनमो से आता है।
  • न्यूटन का श्यानता नियम τ = η dv/dy है। प्वाज़ेई निस्सरण πR⁴ΔP/(8ηL) है, और Re = ρvL/η धारारेखीय प्रवाह (नली में लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है; प्रावार का Re लगभग 10⁻²⁰ है।
  • प्रतिबल व विकृति छह-छह घटकों वाले सममित प्रदिश हैं; व्यापक विषमदैशिक ठोस में 21 प्रत्यास्थ स्थिरांक होते हैं, समदैशिक में 2 (λ, μ), और ε_kk = ∇·u प्रसार है। K = λ + 2μ/3, E = μ(3λ + 2μ)/(λ + μ), ν = λ/(2(λ + μ))।
  • तरंग-समीकरण P (आयतन-परिवर्ती, अघूर्णी, α = √((λ + 2μ)/ρ)) और S (घूर्णी, समआयतनिक, β = √(μ/ρ), केवल ठोस) में बँटता है। रैले तरंगें लगभग 0.92β की होती हैं और लव तरंगों को धीमी पृष्ठ परत चाहिए; पृष्ठ तरंगें 1/√r से घटती हैं, पिंड तरंगें 1/r से।
  • ν = (Vp² − 2Vs²)/(2(Vp² − Vs²)); पॉयसन ठोस में λ = μ, ν = 0.25 और Vp/Vs = √3; तरल में ν = 0.5 और Vs = 0। गुणांक GPa में और घनत्व g/cm³ में हों तो चालें km/s में आती हैं।

अभ्यास प्रश्न (17)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. कौन-सा प्रेक्षण प्रत्यक्ष प्रमाण देता है कि बाह्य क्रोड द्रव है?

    1. भूकंप की S तरंगें उससे होकर नहीं गुज़रतीं, क्योंकि द्रव में अपरूपण गुणांक नहीं होता
    2. उसकी P-तरंग चाल निचले प्रावार के तल की चाल से बहुत कम है, जो केवल द्रव परत में दिख सकती है
    3. उसका घनत्व निचले प्रावार के तल के घनत्व का लगभग दुगुना है, जो उस गहराई पर केवल द्रव में हो सकता है
    4. वह विद्युत को बहुत अच्छी तरह चालित करता है, जो केवल द्रव धातु कर सकती है और कोई ठोस धातु कभी नहीं
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — भूकंप की S तरंगें उससे होकर नहीं गुज़रतीं, क्योंकि द्रव में अपरूपण गुणांक नहीं होता

    द्रव में μ = 0 होता है और वह अपरूपण तरंगें नहीं ले जा सकता; CMB पर S तरंगें लुप्त हो जाती हैं। P-चाल में गिरावट, घनत्व की बड़ी छलाँग या उच्च चालकता भिन्न संघटन या तापमान वाले ठोस में भी हो सकती हैं, अतः इनमें से कोई अकेला द्रवता सिद्ध नहीं करता। P-चाल की गिरावट भ्रामक विकल्प है क्योंकि वेग-प्रोफ़ाइल पर CMB वैसा ही दिखता है।
  2. एडम्स–विलियमसन समीकरण dρ/dz = ρg/φ 410 व 660 km असंततताओं के आर-पार गहराई के साथ घनत्व-वृद्धि का वर्णन ठीक से नहीं कर पाता, मुख्यतः इसलिए कि वह मानता है

    1. कि प्रावार शून्य दृढ़ता वाला द्रव है, अतः अपरूपण-तरंग चाल Vs की उपेक्षा की जा सकती है
    2. कि गुरुत्व गहराई के साथ नियत रहता है, और यह मान्यता संक्रमण-मंडल में बुरी तरह विफल होती है
    3. समांगी, भली-भाँति मिश्रित रुद्धोष्म परत, जिसमें प्रावस्था या संघटन का परिवर्तन नहीं है
    4. कि भूकंपीय वेग चट्टान पर लगे दाब के साथ बिल्कुल नहीं बदलते, यानी दाब से स्वतंत्र हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — समांगी, भली-भाँति मिश्रित रुद्धोष्म परत, जिसमें प्रावस्था या संघटन का परिवर्तन नहीं है

    समीकरण एकसमान संघटन व प्रावस्था वाली परत में केवल संपीडन से बनी घनत्व-प्रवणता का समाकलन करता है। ऑलिवीन का अधिक सघन स्पिनेल-जैसे रूप में बदलना ऐसा अतिरिक्त घनत्व जोड़ता है जो अकेला संपीडन नहीं दे सकता। भूकंपीय प्राचल φ में Vs पहले से है, और g समीकरण में स्पष्ट रूप से आता है, अतः विफल होने वाली मान्यताएँ ये नहीं हैं।
  3. 2 mm मोटी तेल की परत (η = 0.1 Pa·s) एक स्थिर पट्ट व 0.5 m/s से चलते पट्ट के बीच है, और परत के आर-पार वेग रैखिक बदलता है। परत में अपरूपण प्रतिबल कितना है?

    1. 0.025 Pa
    2. 2.5 Pa
    3. 250 Pa
    4. 25 Pa
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — 25 Pa

    न्यूटन के नियम से τ = η U/h = 0.1 × 0.5 / 0.002 = 25 Pa। मिलीमीटर को मीटर में बदले बिना h = 2 लेने पर भ्रामक 0.025 Pa आता है, और अन्य मान दशमलव-बिंदु की और चूकों से आते हैं।
  4. प्रावार-संवहन की रेनॉल्ड्स संख्या लगभग 10⁻²⁰ है। इससे क्या निष्कर्ष निकलता है?

    1. प्रवाह विक्षुब्ध होना चाहिए, क्योंकि इतनी अधिक श्यानता प्रावार को अव्यवस्थित बना देती है
    2. श्यान बलों के आगे जड़त्वीय बल नगण्य हैं, अतः प्रवाह धीमा, विसर्पी, धारारेखीय है
    3. प्रावार दृढ़ पिंड है जो बिल्कुल बह नहीं सकता, अतः प्लेट-गति का कोई अन्य कारण चाहिए
    4. प्रवाह-चाल बहुत अधिक होनी चाहिए, क्योंकि Re चाल के साथ बढ़ती है और फिर भी इतनी छोटी है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — श्यान बलों के आगे जड़त्वीय बल नगण्य हैं, अतः प्रवाह धीमा, विसर्पी, धारारेखीय है

    Re = ρvL/η जड़त्वीय व श्यान बलों का अनुपात है; 10⁻²⁰ का अर्थ है कि श्यानता पूर्णतः प्रभावी है और प्रवाह विसर्पी व धारारेखीय है। उच्च श्यानता Re घटाती है और इसलिए विक्षोभ को दबाती है, उसे पैदा नहीं करती, और छोटा Re अति मंद चाल (cm प्रति वर्ष) तथा विशाल η से आता है।
  5. सर्वाधिक व्यापक विषमदैशिक प्रत्यास्थ ठोस और समदैशिक प्रत्यास्थ ठोस को क्रमशः कितने स्वतंत्र प्रत्यास्थ स्थिरांक वर्णित करते हैं?

    1. 36 और 2
    2. 81 और 3
    3. 21 और 3
    4. 21 और 2
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — 21 और 2

    c_ijkl के 81 घटक प्रतिबल व विकृति की सममिति से 36 और विकृति-ऊर्जा फलन के अस्तित्व से 21 रह जाते हैं। समदैशिकता दो छोड़ती है, λ व μ। संख्या 36 ऊर्जा-तर्क छोड़ देती है, और तीसरे स्थिरांक की आवश्यकता नहीं क्योंकि E व ν, λ व μ से तय हैं।
  6. वह भूकंपीय तरंग जिसके विस्थापन-क्षेत्र का कर्ल शून्य पर विचलन अशून्य है, है

    1. P तरंग, जो अघूर्णी व आयतन-परिवर्ती है
    2. SV तरंग, जो घूर्णी व आयतन-परिवर्ती है
    3. SH तरंग, जो अघूर्णी व समआयतनिक है
    4. लव तरंग, जो अघूर्णी व आयतन-परिवर्ती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — P तरंग, जो अघूर्णी व आयतन-परिवर्ती है

    शून्य कर्ल का अर्थ अघूर्णी और अशून्य विचलन का अर्थ आयतन-परिवर्तन (आयतन-परिवर्ती) है; यही P तरंग, u = ∇φ, है। SV व SH तरंगें घूर्णी व समआयतनिक हैं, और लव तरंग SH गति से बनी है।
  7. पॉयसन ठोस हेतु, जिसमें लामे स्थिरांक λ = μ को संतुष्ट करते हैं, कौन-सा युग्म सही है?

    1. Vp/Vs = 2 और ν = 0.33
    2. Vp/Vs = √3 और ν = 0.5
    3. Vp/Vs = √3 और ν = 0.25
    4. Vp/Vs = 1.5 और ν = 0.25
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — Vp/Vs = √3 और ν = 0.25

    λ = μ पर (Vp/Vs)² = (λ + 2μ)/μ = 3, अतः Vp/Vs = √3, और ν = λ/(2(λ + μ)) = 1/4। युग्म 2 व 0.33 स्वतः संगत है पर λ = 2μ का है, और ν = 0.5 का अर्थ Vs = 0 वाला तरल होता।
  8. मुख्य भू-चुंबकीय क्षेत्र चुंबकित प्रावार-चट्टान से क्यों नहीं हो सकता?

    1. प्रावार पूर्ण विद्युत-चालक है, जो चट्टान के भीतर निहित किसी भी प्रकार के चुंबकत्व को पूरी तरह छान देता है
    2. दसियों किलोमीटर नीचे तापमान चुंबकीय खनिजों के क्यूरी बिंदु से अधिक होता है, अतः चट्टान चुंबकित नहीं रह सकती
    3. प्रावार के खनिज प्रतिचुंबकीय हैं, और उनकी प्रवृत्ति क्रोड के क्षेत्र को ठीक-ठीक निरस्त कर देती है
    4. मैग्नेटाइट अपने उच्च घनत्व के कारण क्रोड में डूब जाता है, अतः प्रावार में कोई चुंबकीय खनिज नहीं बचता
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — दसियों किलोमीटर नीचे तापमान चुंबकीय खनिजों के क्यूरी बिंदु से अधिक होता है, अतः चट्टान चुंबकित नहीं रह सकती

    लौहचुंबकीय खनिज अपने क्यूरी तापमान (मैग्नेटाइट हेतु लगभग 580 °C) से ऊपर स्वतः चुंबकत्व खो देते हैं, जो कुछ दसियों किलोमीटर की गहराई पर पहुँच जाता है। अतः क्षेत्र द्रव बाह्य क्रोड के डायनमो से बनता है, और केवल भूपर्पटी अवशिष्ट चुंबकत्व रखती है। प्रावार न पूर्ण चालक है और न क्षेत्र को निरस्त करता है।
  9. नीचे की ओर क्रोड–प्रावार सीमा पार करते समय परिवर्तनों का कौन-सा समुच्चय सही है?

    1. Vp बढ़कर लगभग 14 km/s हो जाता है, Vs शून्य हो जाता है और घनत्व लगभग 5.6 से घटकर लगभग 3 g/cm³ हो जाता है
    2. Vp घटकर लगभग 8 km/s हो जाता है, Vs लगभग 7 km/s बना रहता है और घनत्व लगभग 5.6 से बढ़कर लगभग 9.9 g/cm³ हो जाता है
    3. Vp लगभग 13.7 से घटकर लगभग 8 km/s हो जाता है, Vs शून्य हो जाता है और घनत्व लगभग 5.6 से बढ़कर लगभग 9.9 g/cm³ हो जाता है
    4. Vp, Vs व घनत्व सभी तीव्रता से घटते हैं, क्योंकि क्रोड द्रव है और इसलिए चट्टान से कम सघन है
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — Vp लगभग 13.7 से घटकर लगभग 8 km/s हो जाता है, Vs शून्य हो जाता है और घनत्व लगभग 5.6 से बढ़कर लगभग 9.9 g/cm³ हो जाता है

    CMB पर Vp लगभग 13.7 से घटकर लगभग 8 km/s हो जाता है, Vs शून्य हो जाता है, और घनत्व लगभग 5.6 से बढ़कर लगभग 9.9 g/cm³ हो जाता है क्योंकि लौह-समृद्ध क्रोड सिलिकेट प्रावार से कहीं सघन है। घनत्व घटने वाला कथन द्रव को हल्का मान लेने की भूल है, और द्रव में Vs 7 km/s नहीं रह सकता।
  10. प्रतिबल, विकृति व प्रत्यास्थ स्थिरांकों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. प्रतिबल प्रदिश सममित है, अतः उसके छह स्वतंत्र घटक हैं
    2. लघु-विकृति प्रदिश का अनुरेख, ε_kk = ∇·u, प्रति इकाई आयतन आयतन-परिवर्तन है
    3. समदैशिक प्रत्यास्थ ठोस λ व μ जैसे दो स्वतंत्र स्थिरांकों से पूर्णतः वर्णित होता है
    4. द्रव में छोटा पर अशून्य अपरूपण गुणांक होता है, अतः S तरंगें उसमें धीरे-धीरे चलती हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — प्रतिबल प्रदिश सममित है, अतः उसके छह स्वतंत्र घटक हैं; B — लघु-विकृति प्रदिश का अनुरेख, ε_kk = ∇·u, प्रति इकाई आयतन आयतन-परिवर्तन है; C — समदैशिक प्रत्यास्थ ठोस λ व μ जैसे दो स्वतंत्र स्थिरांकों से पूर्णतः वर्णित होता है

    प्रतिबल की सममिति, विकृति-अनुरेख का अर्थ और द्वि-स्थिरांक समदैशिक नियम सब मानक हैं। आदर्श द्रव में μ = 0 होता है, अतः वह अपरूपण तरंगें बिल्कुल नहीं सँभाल सकता; S तरंगें बाह्य क्रोड से नहीं गुज़रतीं।
  11. P व S तरंगों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. समान ठोस में P तरंगें S तरंगों से तेज़ चलती हैं
    2. S तरंगें तरल से संचरित नहीं हो सकतीं क्योंकि तरल का अपरूपण गुणांक शून्य है
    3. P तरंगें समआयतनिक हैं, क्योंकि वे पदार्थ का आयतन अपरिवर्तित छोड़ती हैं
    4. S तरंगें समआयतनिक व घूर्णी हैं, जिनकी गति संचरण-दिशा के लंबवत है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — समान ठोस में P तरंगें S तरंगों से तेज़ चलती हैं; B — S तरंगें तरल से संचरित नहीं हो सकतीं क्योंकि तरल का अपरूपण गुणांक शून्य है; D — S तरंगें समआयतनिक व घूर्णी हैं, जिनकी गति संचरण-दिशा के लंबवत है

    किसी भी ठोस में Vp, Vs से अधिक होता है, S तरंगों को अपरूपण दृढ़ता चाहिए, और S गति अनुप्रस्थ, घूर्णी व समआयतनिक है। P तरंगें समआयतनिक की उलटी हैं: वे पदार्थ को संपीडित व विस्तारित करती हैं।
  12. पृथ्वी के अंतरंग के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. प्रावार में विद्युत-चालकता सामान्यतः गहराई के साथ बढ़ती है
    2. द्रव-लौह बाह्य क्रोड की विद्युत-चालकता प्रावार की चालकता से अनेक कोटि अधिक है
    3. प्रावार S तरंगें प्रत्यास्थ ठोस की तरह संचरित करता है पर लाखों वर्षों में अति श्यान तरल की तरह बहता है
    4. प्रावार की श्यानता लगभग 10³ Pa·s है, जो गाढ़े लावा के तुल्य है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — प्रावार में विद्युत-चालकता सामान्यतः गहराई के साथ बढ़ती है; B — द्रव-लौह बाह्य क्रोड की विद्युत-चालकता प्रावार की चालकता से अनेक कोटि अधिक है; C — प्रावार S तरंगें प्रत्यास्थ ठोस की तरह संचरित करता है पर लाखों वर्षों में अति श्यान तरल की तरह बहता है

    चालकता तापमान व गहराई के साथ बढ़ती है और क्रोड धातु है, जबकि प्रावार भूकंपीय काल-मापनी पर प्रत्यास्थ व्यवहार और भूवैज्ञानिक काल-मापनी पर श्यान विसर्पण दिखाता है। प्रावार की श्यानता 10²⁰ से 10²² Pa·s की कोटि की है, 10³ नहीं।
  13. एक चट्टान का घनत्व 2500 kg/m³ है और लामे स्थिरांक λ = 20 GPa व μ = 15 GPa हैं। उसकी P-तरंग चाल km/s में, दो दशमलव स्थानों तक, ज्ञात कीजिए।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 4.47

    Vp = √((λ + 2μ)/ρ) = √((20 + 30) × 10⁹ / 2500) = √(2.0 × 10⁷) = 4472 m/s, यानी 4.47 km/s। λ + 2μ की जगह λ + μ लेने पर 3.74 km/s आता है, और GPa-परिवर्तन भूलने पर बेतुकी छोटी चाल।
  14. एक भूपर्पटी-परत में P व S तरंग-चालों का अनुपात Vp/Vs = 1.8 है। पॉयसन अनुपात दो दशमलव स्थानों तक ज्ञात कीजिए।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.28

    ν = (Vp² − 2Vs²) / (2(Vp² − Vs²))। Vs = 1 व Vp = 1.8 लेने पर Vp² = 3.24, अतः ν = (3.24 − 2) / (2 × 2.24) = 1.24 / 4.48 = 0.2768, जो 0.28 है। पॉयसन ठोस (Vp/Vs = 1.73) से 0.25 आता।
  15. 2700 kg/m³ घनत्व व 100 Pa·s श्यानता वाला बेसाल्टी लावा 2 m गहरी नाली में 0.5 m/s से बहता है। प्रवाह-गहराई को लंबाई-मापनी लें। रेनॉल्ड्स संख्या ज्ञात कीजिए।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 27

    Re = ρ v L / η = 2700 × 0.5 × 2 / 100 = 27। यह नली-प्रवाह की लगभग 2000 की देहली से बहुत कम है, अतः प्रवाह धारारेखीय है। श्यानता प्वाइज़ में या गहराई सेंटीमीटर में लेने पर उत्तर दस की घातों से बदल जाता है।
  16. ऊपरी प्रावार की एक समांगी रुद्धोष्म परत में ρ = 3300 kg/m³, g = 9.9 m/s², Vp = 8.5 km/s व Vs = 4.7 km/s है। एडम्स–विलियमसन समीकरण dρ/dz = ρg/φ का, φ = Vp² − (4/3)Vs² के साथ, प्रयोग कीजिए। dρ/dz गहराई के प्रति km पर kg/m³ में, दो दशमलव स्थानों तक, ज्ञात कीजिए।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.76

    φ = 8.5² − (4/3) × 4.7² = 72.25 − 29.45 = 42.80 km²/s² = 4.280 × 10⁷ m²/s²। dρ/dz = 3300 × 9.9 / 4.280 × 10⁷ = 7.63 × 10⁻⁴ kg/m⁴, यानी 0.76 kg/m³ प्रति km। φ के लिए केवल Vp² लेने पर 0.45 आता, और φ को km²/s² में छोड़ने पर परिणाम 10⁶ गुना बड़ा आता।
  17. 0.01 Hz आवृत्ति के प्राकृतिक मैग्नेटोटेलुरिक क्षेत्र 100 Ω·m प्रतिरोधकता वाले क्षेत्र को टटोलते हैं। त्वचा-गहराई δ ≈ 503 √(ρ/f) मीटर का प्रयोग कीजिए, जहाँ ρ Ω·m में और f Hz में है। δ को km में, निकटतम km तक, ज्ञात कीजिए।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 50

    δ = 503 × √(100 / 0.01) = 503 × √10⁴ = 503 × 100 = 50 300 m, यानी लगभग 50 km। इसे मीटर (50300) में बताना या प्रतिरोधकता की जगह चालकता लेना प्रचलित भूलें हैं।