Для зондирования земной коры, как мы видели, достаточно использовать взрывы мощностью не свыше нескольких сотен килограммов ВВ. При этом регистрируются головные волны, образовавшиеся на границах глубиной в десятки километров. Более глубокие границы обнаружить не удавалось, даже если регистрировались гигантские промышленные взрывы с общей мощностью заряда в тысячи тонн ВВ. И лишь когда сейсмологи перешли к регистрации мощных подземных и подводных ядерных взрывов, удалось поймать волны, дошедшие до следующей резкой границы в Земле и вернувшиеся на поверхность. И это не удивительно: следующая за разделом Мохоровичича граница лежит на глубине 2900 км от поверхности Земли и отделяет подкоровую область Земли — мантию, или оболочку, — от земного ядра. Однако земное ядро было открыто задолго до осуществления первых атомных взрывов. И колебания, прошедшие сквозь мантию и отразившиеся от границы ядра, не были искусственными колебаниями, вызванными деятельностью человека. Эти волны породила сама Земля.
Сейсмограф
Еще во второй половине XIX века было замечено, что точные магнитные приборы порой испытывают необъяснимые колебания, не связанные ни с магнитными бурями, ни с сотрясением стен магнитных обсерваторий. Разгадка пришла, когда догадались сопоставить эти странные вибрации с газетными сообщениями о разразившемся за тысячи километров землетрясении. Действительно, оказалось, что страшные подземные толчки, разрушающие постройки на поверхности Земли, вызывают колебания слоев горных пород, распространяющиеся во всей толще земного шара. Так родилась современная сейсмология. Ее создателями были англичанин Дж. Мильн, построивший первые приборы, позволившие выделять на записи различные группы колебаний, русский академик Б. Б. Голицын, создавший современный тип сейсмографа с гальванометрической регистрацией и разработавший методы определения эпицентров землетрясений (так называется точка на поверхности Земли, наиболее близкая к подземному очагу), и немецкий ученый Э. Вихерт, нашедший законы распространения волн в глубинах земного шара.
Эпицентры землетрясений в период с (всего 358 214 зафиксированных землетрясений)
Разрушительное бедствие, несущее смерть и разорение людям, ученые сумели использовать как мощнейшее, совершенное средство для изучения недр Земли.
Землетрясения вызываются внезапным движением горных пород в глубине Земли вдоль плоскости старого, ранее существовавшего или вновь образовавшегося разлома. Нечто похожее происходит, скажем, когда мы начинаем сгибать толстый деревянный прут: до того, как он сломается, уже слышно потрескивание — это образуются внутренние трещинки, не выходящие на поверхность прута. Слабые землетрясения, в огромном числе происходящие повсюду в горных районах Земли, подобны таким потрескиваниям. Они очень слабы (и могут быть отмечены лишь чувствительнейшими приборами на небольшом расстоянии), потому что площадь образовавшихся разрывов очень невелика — какие-нибудь десятки квадратных дециметров. Чем крупнее разлом, тем реже создаются условия для его образования. И, что особенно интересно, частота образовавшихся при разрыве колебаний горных пород тоже зависит от его размеров.
С достаточной точностью можно считать, что основная энергия при землетрясении выделяется с волнами, длина которых примерно равна размерам очага. Это означает, что при разрыве длиной в 10 м наиболее сильными будут колебания с такой же длиной волны. Если взять примерную скорость распространения волн в каменных породах равной 5 км/сек, легко сосчитать, что период образовавшихся волн будет около 0,002 сек. Это землетрясение очень слабое. Энергия порожденных им волн равна примерно 104 джоулей — столько энергии расходует 100-ваттная электрическая лампочка за 2 мин. горения. Упругие волны такого короткого периода очень быстро затухнут в окружающих очаг породах.
Иное дело для очага длиной в 10 км: энергия упругих колебаний такого землетрясения равна уже примерно 1014 джоулей, и основная ее часть здесь выделится с волнами, имеющими период 2 сек. Эти волны затухают уже гораздо слабее, они смогут распространиться на многие тысячи километров. Часть волн, направленная к поверхности Земли, возбудит в верхних слоях Земли уже известные читателю поверхностные волны. Период их зависит уже в основном от строения верхних слоев Земли (было бы достаточно сильным начальное возбуждение!) и находится в пределах от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Поверхностные волны образуются в результате наложения многократно отраженных волн, образовавшихся в земной коре. При этом, чем более полого идет возбуждающая волна, тем более длиннопериодную составляющую поверхностных волн она образует. Поэтому поверхностная волна не имеет постоянного периода: сначала в пункт наблюдения приходят более длиннопериодные волны, а потом их нагоняют все более короткопериодные колебания. Это важное свойство поверхностных волн называется дисперсией.
Поверхностные волны, как и волны, распространяющиеся сквозь вещество Земли (их называют объемными), тоже различаются по направлению колебаний. Если частицы вещества колеблются параллельно земной поверхности, поверхностные волны называются по имени открывшего их ученого — волнами Лява (обозначение — волны LQ). Для их образования обязательно нужен слой пород (например, земная кора). Если частицы участвуют и в вертикальном движении, то волна называется волной Релея (обозначение — волны LR). Такие волны могут образовываться и без поверхностного слоя. Незадолго до начала МГГ были открыты особые типы поверхностных воли, которые могут распространяться только в верхнем, «гранитном» слое земной коры (волны Lg и Rg).
Все упомянутые свойства поверхностных волн нашли применение в исследовании недр Земли.
Чем больше период поверхностной волны, тем более глубокие слои Земли захватывает она при своем распространении. Например, волна Релея с периодом 30 сек. и скоростью около 3 км/сек при движении захватывает слой глубиной примерно в длину волны, т. е. около 90 км. Более ранний приход длиннопериодных волн — их дисперсия — свидетельствует, таким образом, о том, что скорость упругих волн растет в глубь Земли. Если построить теперь зависимость скорости поверхностных волн от их периода (так называемую дисперсионную кривую), то по этой кривой можно рассчитать, по какому закону растет скорость упругих волн на глубине.
Землетрясения происходят во многих районах Земли (см. карту). Регистрирующие эти землетрясения сейсмические станции — сейчас на земном шаре их около 1000 — расположены с разной густотой на всех континентах. Поэтому для любого интересующего нас участка Земли можно подобрать подходящую пару очаг — станция так, чтобы путь волн лежал через нужный участок, и рассчитать здесь скорости упругих волн до определенной глубины.
Здесь есть и большие трудности: таким методом мы можем определить лишь средние скорости вдоль всего участка. Если же по пути волны мощность земной коры, скорость упругих волн в ней и ниже — в мантии Земли — меняются, то определить достаточно точно эти изменения мы не можем. До последнего времени считалось, что мантия, в том числе и ее верхние слои, совершенно однородна в горизонтальном направлении: на глубине, скажем, 200 км скорость волн в мантии (а значит, ее упругие свойства) казалась одной и той же во всех районах Земли.
Более точные наблюдения последних лет, в особенности применение специальных длиннопериодных сейомографов и широкое использование для обработки записей электронно-вычислительных машин, показали, что прежнее мнение было ошибочным. В верхней мантии были обнаружены неоднородности. Под континентами скорости упругих волн
в среднем несколько выше (на несколько десятых долей километра в секунду), чем под океанами. А неоднородность мантии — лучшее свидетельство ее нестабильности, признак идущих в ней процессор изменения и передвижения вещества.
Неожиданные результаты дало исследование волн Lg и Rg. Эти волны хорошо регистрировались в тех случаях, когда между станцией и эпицентром находилось пространство континентов. Под океаном эти волны не проходили, и это было понятно: читатель уже знает, что в земной коре под океаном отсутствует «гранитный» слой. Но вот что было странным: на сейсмограммах, например, станции Пулково были хорошо заметны эти волны при записях греческих землетрясений, а на записях соседних, турецких землетрясений эти волны отсутствовали. Такая же картина была замечена и в других районах. Так было установлено, что под некоторыми внутренними морями, расположенными на континентах (Черное, Каспийское, Средиземное и другие), земная кора по своему строению ближе к океаническому типу, и «гранитный» слой там отсутствует. Работы по ГСЗ подтвердили это предположение.
Что же представляют собой эти моря? Остаток ли это древнего океана или, наоборот, зародыши будущего? В каком направлении идет эволюция земной коры — развивается ли она в сторону океанизации возникших раньше континентов или же, наоборот, континенты разрастаются, захватывая пространства более древних океанов? До сих пор геологи и тектонисты не пришли к единому мнению, и эти исследования, очень важные для понимания основных закономерностей развития земного шара, будут продолжаться.
Найти на unnatural: Землетрясения помогают изучать глубины