Многие современные люди, идущие в ногу со временем, задаются вопросом: “Как бросить пить, курить и начать вести здоровый образ жизни?”. Ответ они смогут найти на сайте samsonov.name, где описаны действительно работающие методики борьбы с этими пагубными привычками!

Все Вы, вероятно, знает о существовании земного ядра. Как же было оно обнаружено? Орудием исследователя, проникшим вплоть до центра Земли, были все те же сейсмические волны.

Очевидно, что самыми заметными на сейсмограмме будут волны, дошедшие от очага возникновения до сейсмической станции быстрейшим путем, без помех и преград. Точнее говоря, помеха на пути волн будет всегда — это сопротивление среды, вызывающее затухание, поглощение сейсмической энергии. Но если землетрясение было достаточно сильным, то излученные очагом продольные и поперечные волны обладают достаточно большим периодом для того, чтобы быть зарегистрированными на расстоянии в многие тысячи километров (об этом говорилось в предыдущем разделе). Из-за того что скорость распространения волн в теле Земли увеличивается с глубиной, путь их, как мы это выяснили, изгибается, соответственно кривой линией будет изображаться и годограф— кривая зависимости времени пробега от эпицентрального расстояния. И вот, когда был построен экспериментальный годограф прямых продольной и поперечной волн, оказалось, что эти волны наблюдаются лишь до расстояния 105° дуги большого круга 700 км).

На больших расстояниях поперечная волна исчезает вовсе, а продольная внезапно становится очень слабой. Где-то на расстоянии 120—130° и она исчезает, и только
когда между эпицентром и станцией оказывается расстояние в 143°, продольная волна появляется опять. Но ведет себя на этом расстоянии необычно — время пробега ее вплоть до противоположной очагу точки земного шара (то есть до расстояния 180°) увеличивается очень незначительно. Создается впечатление, что продольная волна как бы нырнула, скрылась с наших глаз, чтобы невидимый участок пути пробежать каким-то более коротким путем. Так оно и есть на самом деле, и именно эти наблюдения были открытием земного ядра. Это сделали еще перед первой мировой войной сейсмологи Вихерт и Гутенберг.

Зная закон увеличения скорости волн с глубиной в мантии Земли, сравнительно легко было рассчитать, что волна, выходящая на расстоянии 105°, погружается в глубь Земли на 2900 км. На этой-то глубине и лежит новая резкая граница внутри Земли. Продольная волна, задевшая эту границу, отклоняется вниз, — значит, скорость этой волны в ядре резко падает и только малая доля энергии распространяется вдоль границы, огибая ядро (так мы слышим звуки из-за угла дома). Эти слабые волны и наблюдаются дальше 105°.

А поперечная волна? Она исчезла вовсе — поглотилась ядром. Отчего? Ответ может быть только один: ядро жидкое. Да, жидкое, несмотря на давление в миллион атмосфер. Конечно, это не жидкость в обычном понимании этого слова. Раскаленное до температуры 3000— 4000°, вязкое вещество не похоже на известные нам в привычной обстановке жидкости. Может быть, для очень быстрых колебаний с периодами в сотые и тысячные доли секунды это вещество, подобно вару, ведет себя как твердое,— этого мы пока не знаем, такие высокочастотные колебания безнадежно быстро затухают в толще Земли, не могут дойти до поверхности. Но во всяком случае, пластичность вещества земного ядра много выше, чем пластичность вара: если кусок вара произвольно меняет свою форму за несколько часов, то для вещества земного ядра достаточно для этого долей секунды. Поэтому поперечные волны с периодом около 10 сек. и не могут распространяться сквозь него.

Если граница земного ядра резкая, она должна хорошо отражать сейсмические волны. И такие волны — продольные и поперечные — были найдены. Они получили обозначение Р_СР и S_CS (индекс «с» означает отражение от границы ядра). Но мы знаем, что на резкой границе из продольных волн могут образоваться поперечные, и наоборот. Действительно, на сейсмограммах были обнаружены и обменные отраженные волны P_CS и S_CP. Половину пути — до границы ядра — они идут как продольные, половину — как поперечные. Наблюдения над волнами Р_СР и S_CS позволили более точно определить глубину границы земного ядра.

Что же делается внутри земного ядра? Однородно ли оно? Путь продольной — единственно возможной в ядре — волны обозначается буквой К (керн — ядро), продольные волны, прошедшие через ядро, получили поэтому у сейсмологов обозначение волн РКР. Так вот, пока путь волн РКР лежит во внешней части земного ядра, ядро по отношению к ним ведет себя как рассеивающая линза (напомним, что скорость волн в ядре меньше, чем в окружающей его мантии). Но как только волны РКР заходят в самую внутреннюю часть ядра, вблизи центра Земли, они внезапно начинают сильно отклоняться в сторону. Поэтому на больших расстояниях от эпицентра в каждую точку земной поверхности приходят две волны РКР: одна — прошедшая по периферии ядра, другая — через его срединную часть. Сначала думали, что скорость волн в этой части ядра растет быстро, но плавно. Но точные наблюдения последних лет показали, что и здесь возрастание скорости волн происходит скачком. Это было открытием внутреннего ядра Земли. Большая скорость волн в нем и вызывает их значительное преломление. Волны, прошедшие через внешнее и внутреннее ядро (бывшая вторая ветвь волн РКР), получили теперь обозначение PKJKP (J — буква для обозначения пути волны во внутреннем ядре).

Остается добавить, что поперечная волна S, подойдя к границе ядра и не имея возможности двигаться дальше, порождает обменную продольную волну, которая, пройдя ядро, может продолжить путь в виде продольной волны (тогда ее обозначение будет SKP), а может вновь превратиться в поперечную и так прийти к поверхности (волна SKS). Волны Р и S, неглубоко погрузившиеся в глубь Земли и вышедшие к ее поверхности на небольшом расстоянии, могут испытать отражение и даже преобразование из Р в S на земной поверхности и снова нырнуть вглубь. Отражение может повториться и дважды. Так возникают волны PP, SS, SP, РРР и так далее. Пути всех этих волн изображены на рис. 1.

Рис. 1. Пути распространения основных типов сейсмических волн через земной шар. Там, где волны движутся как продольные, их пути показаны сплошными линиями, где как поперечные — штриховыми. Например, волна SKP до ядра идет как поперечная, а в ядре и после ядра — как продольная, волна P_CS до отражения от ядра идет как продольная, после — как поперечная, и т. д. На рисунке показаны пути далеко не всех волн, замечаемых на сейсмограммах удаленных землетрясений

Что и говорить, картина сложная. Требуется большой опыт интерпретатора, чтобы на каждой записи удаленного землетрясения выделить и опознать все эти волны. А ведь сотни сейсмических станций мира ежедневно записывают достаточно сильные удаленные землетрясения, и число накапливающихся записей исчисляется десятками тысяч в год. Не случайно одной из важнейших задач современной инструментальной сейсмологии стала разработка автоматических устройств для расшифровки сейсмограмм. И если сейчас уже широко применяются магнитная запись колебаний почвы и спектральный анализ этих колебаний, то автоматы для выделения на записи тех моментов, когда на фоне земного «шума» появляются колебания, соответствующие приходу отдельных нужных нам волн, только еще разрабатываются. Задача «узнавания» вступления волны на фоне помех оказалась подобной известной задаче «узнавания» машиной букв или геометрических образцов, и решается она средствами кибернетики. Переход к использованию современных вычислительных машин для обработки сейсмограмм — начало нового этапа детального исследования земных недр. Один из первых результатов на этом пути — открытие новой границы в земном ядре. Об этом осенью 1963 года сообщил руководитель сейсмической лаборатории в Беркли (США) д-р Б. Болт. Правда, о новой, третьей зоне внутри земного ядра неизвестно ничего, кроме того, что она действительно существует.

Лучшим вариантом получить хорошее образование и освоить иностранный язык являются институты испании.

Ознакомившись с представленными на сайте www.espanarusa.com материалами, Вы сможете не только узнать более подробно об испанской системе высшего образования, но и без особых проблем поступить в лучший институт.

Средняя скорость продольных упругих волн в земной коре — около 6,5 км/сек, под корой — 8 км/сек. Можно было бы ожидать, что от очага землетрясения к сейсмической станции, расположенной на расстоянии 10 000 км (вдоль земной поверхности) или около 9000 км (по хорде), продольная волна придет за На самом же деле установлено, что это расстояние продольная волна преодолевает всего за 13 мин. Следует неизбежный вывод: скорость упругих волн в Земле растет с глубиной.

Растет ли скорость постепенно или скачками? Иными словами, существует ли в мантии слоистость? Оказывается, что до глубины 2900 км новых преломленных (головных) воли не образуется, и вплоть до этой глубины изменение свойств мантии происходит плавно.

За счет постепенного возрастания скорости волн их путь внутри Земли искривляется, и по мере удаления сейсмической станции от очага землетрясения волны «ныряют» все глубже и глубже.

На заре развития инструментальной сейсмологии перед учеными стояла трудная задача: закон изменения времени пробега продольной и поперечной волны в зависимости от эпицентрального расстояния был неизвестен, и это затрудняло определение эпицентра, глубины очага и точного времени землетрясения. С другой стороны, не зная «момента в очаге» (то есть момента срыва пластов в недрах Земли) и точных координат очага землетрясения, ученые не могли вычислить точное время пробега волн и получить отсюда сведения о скорости волн на разных глубинах.

Многолетние исследования шли последовательными этапами. Постепенно развивалась мировая сеть сейсмических станций. Неточные таблицы времен пробега волн заменялись более точными. Совершенствовались методы определения эпицентра землетрясений и глубины их очагов.

В 1913 году, например, сейсмическая станция Пулково была единственной станцией в мире, определявшей положение эпицентров удаленных землетрясений только по своим данным. С 1918 года Международная ассоциация сейсмологии издает знаменитую «Международную сейсмологическую сводку», в которой приводятся координаты эпицентров землетрясений, определенные по данным нескольких станций. Самые последние выпуски «Сводки» в некоторых случаях для одного землетрясения приводят данные более чем полутораста станций. Только широкое применение современной электронной техники для первичной обработки данных этих станций и последующих вычислений позволит полностью использовать все растущий бесценный фонд миллионов сейсмограмм.

Как же определяют координаты очага землетрясения? Для определения местоположения эпицентра используют уже известное читателю свойство — различие в скорости продольных и поперечных волн. На основе многолетних наблюдений, в том числе первоклассных наблюдений сети советских сейсмических станций — самой протяженной и наиболее однородной по аппаратуре в мире, построены точные кривые времен пробега продольных и поперечных волн. Каждому эпицентраль-ному расстоянию (сейсмологи предпочитают измерять его не в километрах, а в градусах дуги большого круга, например, для сейсмолога расстояние от полюса до экватора равно 90°, расстояние от Москвы до полюса равно 90° — 55⁰46′ = 34°14′) соответствует свое время пробега продольных и поперечных волн и своя разность этих времен.

На сейсмограмме каждой станции выделяется вступление продольной волны, которую принято обозначать буквой Р (латинское «prima»—первая), и поперечной волны S (латинское «seconda» — вторая). По разности S — Р из годографа определяется эпицентральное расстояние ∆. Теперь достаточно провести на большом специальном глобусе три дуги с центрами в трех станциях, чтобы пересечение этих дуг определило бы нам эпицентр (рис. 1). На практике обычно берут не три, а десять — двадцать дуг, чтобы исключить случайные ошибки наблюдений и небольшие местные колебания скоростей Р- и S-волн в верхних слоях Земли (об этих колебаниях скоростей говорилось в предыдущем разделе).

В самое последнее время эта «архаическая» операция — проведение засечек на глобусе — заменяется вычислением положения эпицентра на электронно-счетных машинах по исходным данным о времени прихода волн, таблицам времени пробега и формулам сферической тригонометрии. Любопытно, что машина, выполняющая несколько тысяч счетных операций в секунду, обгоняет человека в этой непростой работе совсем не так уж сильно: машина тратит на определение одного эпицентра около минуты, а опытному лаборанту на это нужно примерно полчаса.

Рис. 1. Определение эпицентра землетрясения по данным трех сейсмических станций. Р — продольная волна, S — поперечная волна, ∆ — расстояние до эпицентра. Время возникновения землетрясения— 17 час. 09 мин. 12 сек.

С глубиной очага дело обстоит несколько сложнее: Она влияет на скорость волн сравнительно слабо. Например, землетрясения с глубиной очага около 10 и около 100 км практически неотличимы одно от другого при регистрации их на расстоянии 300—500 км. В свое время из-за этого было много споров, и некоторые сейсмологи «помещали» большое число неглубоких землетрясений Средней Азии на глубину 100 км и даже определяли на этой глубине некую несуществующую горизонтальную «фокальную плоскость».

Рис. 2. Схема образования отраженных вблизи эпицентра волн рР и sS. Разности прихода на станцию волн рР и Р, sS и S характеризуют глубину очага

Но и глубину очага удается определять. Выручают волны, идущие от очага почти прямо вверх, те самые волны, которые причиняют наибольший ущерб на поверхности Земли. Дойдя до границы земля — воздух и поколебав эту поверхность, волны отражаются от нее и под тем же углом уходят в глубь Земли, чтобы где-то вдалеке опять подойти к поверхности (рис. 2). Точнее говоря (читателю придется вспомнить помещенные выше сведения о свойствах волн), под тем же углом отразится продольная волна, вызванная продольной же волной, и поперечная волна, вызванная поперечной волной. Эти волны в сейсмологии обозначаются рР и sS. Но при отражениях возникнут и другие волны, например, поперечная волна породит и отраженную продольную волну sP. Волна P уйдет вглубь, разумеется, под несколько иным углом. Все эти отраженные вблизи эпицентра волны достигнут сейсмической станции позже, чем идущие по наиболее быстрому пути волны Р и S. Поэтому вступление этих волн искусный взгляд интерпретатора должен найти на фоне сильных колебаний основной волны. Здесь уже не поможет, как в сейсморазведке или ГСЗ, корреляция вступлений: станция-то одна, сравнить запись не с чем. Но большой опыт помогает, и по разностям моментов прихода волн рР — Р, sP — Р, sS — S удается определить глубину очага. Забегая вперед, скажем, что землетрясения происходят как в земной коре (на глубине от 0 до 40—50 км), так и в верхней мантии, вплоть до глубины 750 км. Глубже за последние 50 лет во всей Земле не отмечено ни одного землетрясения.

А как же момент возникновения землетрясения? Это уже совсем просто. Достаточно от момента прихода продольной волны отнять время пробега этой волны для уже определенного эпицентрального расстояния.

Теперь, зная «момент в очаге» землетрясения, координаты эпицентра и глубину очага, можно использовать его записи и на их основе заглянуть в недра Земли. Ведь никакой другой вестник, кроме медленного потока тепла, не доходит до нас с глубин в сотни километров. Сейсмические же волны легко ныряют на эту глубину и возвращаются на поверхность, неся на себе следы своего пути, сведения о земных недрах.

Анализ сейсмограмм — кропотливая и трудоемкая работа. Но она вознаграждает нас важнейшими результатами. И протекает эта работа так. Сначала на основе зависимости времени пробега от расстояния определяется глубина наибольшего погружения пути сейсмической волны. Затем вычисляется скорость сейсмических волн на этой глубине. Полученная зависимость скорости упругих волн в Земле от глубины служит основой для вычисления изменения с глубиной плотности и упругих свойств вещества Земли.

Как показали наблюдения, сквозь вещество мантии, от границы Мохоровичича до глубины 2900 км, прекрасно проходят и продольные, и поперечные волны. Конечно, «прекрасно» — это несколько неточное слово. Вся энергия упругих колебаний, вначале сосредоточенная в очаге, то есть в объеме самое большее в несколько сотен кубических километров, за несколько минут распределяется по объему всего земного шара, равному примерно 10¹²

кубических километров. К тому же вдоль своего пути сейсмические волны испытывают основательное затухание, несмотря на довольно большой период волн — у продольных от 1 до 10 сек., у поперечных — от 3 до 30 сек. для достаточно сильных землетрясений. Поэтому на другой конец земного шара те самые волны, которые сотрясали постройки и рвали фундаменты в эпицентре, добегают с амплитудой, очень редко достигающей долей миллиметра и обычно измеряемой немногими микронами.

Однако в мантии и продольные, и поперечные волны распространяются одинаковым образом. Это означает, что вещество мантии — твердое и никаких океанов расплавленной магмы ни под земной корой, ни глубже нет.

Самым большим действующим вулканом в мире считается Мауна-Лоа, расположенный на Гавайских островах

Как же тогда возникают вулканы? Их глубинные очаги, расположенные на расстоянии около 100 км от поверхности Земли, существуют лишь в отдельных местах, где слегка пониженное давление уменьшает температуру плавления горных пород и вызывает их местное расплавление. Обнаружить это помогли опять-таки упругие волны. Вулканолог Г. С. Горшков несколько лет назад обнаружил, что на записях тех землетрясений, волны которых прошли под Ключевской сопкой на глубине около 80 км, есть продольные волны, но нет поперечных. Это значит, что на пути волн под вулканом встретилась область, занятая жидкостью. Этой жидкостью, не пропустившей поперечные волны, могла быть только магма. Но уже в двух десятках километров в сторону поперечные волны проходили без задержки. Так была доказана ограниченность вулканических очагов.

Глубина около 100 км оказалась не случайной. Дело в том, что именно на такую глубину погружаются в самой глубокой точке своего пути сейсмические волны, выходящие к поверхности на расстоянии около 15° (или около 1700 км) от эпицентра. Но как раз на этом расстоянии интенсивность сейсмических волн резко уменьшалась, а потом на расстоянии около 20° (около 2200 км) амплитуды сейсмических волн снова увеличивались. Разгадка пришла, когда было установлено, что на этой глубине скорость сейсмических волн довольно резко уменьшается и лишь примерно с глубины 200—250 км вновь начинает значительно возрастать. В образовавшийся здесь волновод (слой пониженной скорости между зонами более высоких скоростей) уходит энергия волн, которым полагалось бы выйти на поверхность на расстоянии от 15 до 20°. Затухание сейсмических волн в этом слое оказалось ненормально большим. Так создалось представление об астеносфере — слое, почти повсюду залегающем на глубине 80—200 км, в котором твердое вещество как бы размягчено и близко к расплавленному состоянию. Этот слой пропускает продольные и поперечные волны, но они вязнут в нем быстрее, чем в окружающих слоях. А в некоторых зонах, где создаются условия для расплавления вещества астеносферы, возникают и жидкие вулканические очаги.

Вулканы присутствуют практически на всех планетах Солнечной системы. Например, выше Вы можете видеть извержение вулкана, происходящее на спутнике Юпитера – Ио.

Так разумное использование землетрясений, этого стихийного бедствия, наносящего огромный ущерб многим странам, сделало как бы прозрачной нашу планету, позволило заглянуть в ее глубочайшие недра.

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 L_Q). Для их образования обязательно нужен слой пород (например, земная кора). Если частицы участвуют и в вертикальном движении, то волна называется волной Релея (обозначение — волны L_R). 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.

Если Вы заядлый ценитель роскошных автомобилей и высоких скоростей, Вам определенно точно будет интересно узнать о таком легендарном авто как Шевроле Камаро, история которого берет свое начало еще в далеком 1966 году. Узнать больше об этом автомобиле Вы сможете, посетив сайт www.carsweek.ru.

На рис. 1, а на всех каналах отчетливо замечается вступление, отмеченное цифрой I. На каждой очередной линии записи эта волна вступает чуть позднее. Ясно, что, чем быстрее волна, тем меньше будет это запаздывание от одного сейсмоприемника к другому. И когда интерпретатор видит, что линия вступлений II идет более полого, а линия вступлений III — более круто, он понимает, что волны II образовались на границе с меньшей скоростью, а волны III — на границе более глубокого слоя, где скорость больше. В нашем случае и волны II, и волны III — это головные волны, образовавшиеся на границах слоев.

В верхней части сейсмограммы до вступлений волны, отмеченной знаком II, заметны другие вступления (I). Это тоже головные волны, образовавшиеся на самом верхнем горизонте. Но вот на седьмой и восьмой линиях записи плавный ход линии, проведенной через эти вступления, нарушается. Интерпретатору ясно, что здесь произошло нарушение этой границы, здесь она перебита сбросом, сдвинута — изучаемый пласт изменил здесь свое строение (рис. 1, б).

Если на графике по оси абсцисс отложить расстояние, а по оси ординат — время прихода волн, то получится система годографов — кривых времени пробега сейсмических волн (рис. 1,в). Такая система годографов служит основой для расшифровки строения пластов: их наклон характеризует скорость упругих волн ниже границы, на которой образовались волны, а положение начальной точки — мощность изучаемых пластов. Если же удается зарегистрировать и волны, отраженные от границы пластов, то можно оценить скорость волн внутри пласта, а не только на его границе.

Представим себе теперь, что волны, углубившиеся в Землю, встречают не горизонтальный, а наклонный пласт. Тогда по мере приближения пласта к поверхности Земли путь головных волн будет все короче и короче, линия годографа уменьшит свой наклон, и можно сделать ошибочный вывод о том, что волны встретили пласт с очень большой скоростью распространения волн. Чтобы избежать такой ошибки, разведку ведут в двух направлениях, проводя профили навстречу друг другу. Теперь пункты взрыва расположены по концам изучаемого участка, и если слой наклонен, то прямой и встречный годографы на графике лягут под разными углами: ведь для встречного годографа путь волн по мере удаления от пункта взрыва будет все длиннее и длиннее, и время пробега будет значительно возрастать.

Рис. 1. Образец сейсмограммы при сейсмической разведке (а), разрез изучаемого участка (б) и соответствующие годографы (в). Группы волн I, II и III — головные волны, образовавшиеся на границах различных слоев

Применение системы встречных годографов дает гораздо более надежные сведения, так как позволяет одновременно определять скорости волн, мощность и наклон слоев.

Особенно эффективно использование методов сейсмической разведки при обнаружении газонефтеносных участков. После того как по геологическим данным выделен перспективный район, на карту один за другим ложатся профили сейсмической разведки. И вот найден участок с характерным расположением линий годографов, участок, где земные слои вздуваются куполом и этот купол перекрыт пластом непроницаемой глины. Здесь наиболее вероятно скопление горючих ископаемых. При этом совсем необязательно, чтобы нефть образовалась именно в этом месте. Просачиваясь сквозь мельчайшие поры горных пород ив мест своего зарождения, она в других местах вышла на поверхность, разложилась и улетучилась, а здесь она зажата между непроницаемой глиной и подушкой скопившегося газа сверху и пластом подпирающей ее воды снизу. Нефть, конечно, не лежит сплошным пластом — она под давлением заполняет все мельчайшие пустоты пористых пород (чаще всего песков или песчаников). Теперь остается бурить, чтобы драгоценное вещество, нагнетаемое давлением горных пород, ударило фонтаном на поверхности.

Другой пример применения методов сейсмической разведки относится к одной из самых своеобразных горных пород на Земле. Речь идет о льде. «Разве может быть лед горной породой?» — спросит читатель. Конечно, и причем одной из самых распространенных из осадочных пород на Земле. Лед тверд и упруг, скорость сейсмических волн в нем даже выше, чем, например, в песках или глинах. Он залегает мощными слоями на ледниках и в районах вечной мерзлоты, и даже целый континент— Антарктида — и целые архипелаги островов в Арктике и Антарктике, среди которых самый большой остров Земли — Гренландия, выше уровня моря сложены в основном из слоев льда. В глубинных частях Гренландии и Антарктиды лед долговечнее других осадочных пород, он залегает там без изменений многие миллионы лет.

И вот, когда потребовалось составить представление о строении глубоких частей Антарктиды, обычные методы геологии оказались неприемлемыми для льда: слишком лед однороден, трудно определить его возраст (хотя и с этой задачей удается теперь справиться), а главное, в центральных частях Антарктиды недра неподвижны, и никакие природные процессы не дают нам сведений о самых глубоких слоях льда. Ледниковый панцирь Антарктиды одолела только сейсмическая разведка.

На пути советских, американских, английских ученых и их коллег из других стран было много трудностей. Одно дело — уловить отражения с десятков или сотен метров, а другое — поймать слабое эхо с многокилометровой глубины. В 1958 году высказывались серьезные сомнения в возможности таких работ. Предполагалось, что лучи сейсмических волн, искривляясь в толще льда с переменной скоростью, вообще не могут достичь ледникового ложа. Вместо желаемой записи отражений на сейсмограммах бежали извивы вредных шумов — волн, образовавшихся при взрыве и распространявшихся по волноводу — неплотному слою фирна (слежавшегося, но еще не превратившегося в лед снега).

Молодые советские исследователи Олег Сорохтин, Андрей Капица и другие преодолели трудности. Специальные буровые установки позволили закладывать заряд глубже «шумного» фирнового слоя. Специально подобранные фильтры отобрали нужную часть сигналов. И сейчас советские результаты зондирования льда в Антарктиде считаются наиболее точными и достоверными. До 5 км — такой мощности достигает ледовый покров Антарктиды. Профиль ледникового ложа (рис. 2) оказался совсем непохожим на сглаженный купол поверхности льда — под ледяной шапкой обнаружилась целая горная страна с хребтами ‘и долинами, высокими поднятиями и глубокими впадинами, опущенными ниже уровня океана.

Рис. 2. Разрез ледяного купола Антарктиды, полученный при сейсмическом зондировании от Мирного до Полюса недоступности

Хотите быть самой неотразимой этим летом? Тогда Вам определенно точно стоит посетить сайт vsemay.ru, где Вы найдете прикольные майки для девушек, которые пренепременно станут отражением вашей яркой личности, задора и компанейского характера.

Даже врач не может обойтись без сейсмической разведки: специальным молоточком или крепко согнутым пальцем постукивает он по груди больного, определяя границы его сердца. А ведь ему нужно «заглянуть» всего лишь на глубину в несколько сантиметров! Ультразвуком «просвечивают» металлурги особо ответственные большие отливки — нет ли пустот, нет ли раковин.

Сходный принцип положен в основу сейсмической разведки земных недр. Но было бы сложно разобраться в путаной картине, получающейся, когда многократное волновое эхо придет от разных подземных слоев. Ведь мы, чтобы лучше услышать обычное эхо на прогулке, не кричим длинных фраз, а стараемся крикнуть короткое слово или лучше — хлопнуть в ладоши. Короткий хлопок не заглушит возвращающихся через малый промежуток времени отраженных волн.

В сейсмической разведке таким хлопком служат небольшие заряды взрывчатых веществ, а ловится эхо земных глубин не ухом, а специальным прибором — сейсмоприемником. Принцип его устройства очень прост: на небольших пружинках внутри металлического стаканчика подвешена гирька, к которой прикреплена катушка со многими витками провода. Катушка входит в зазоры магнита, скрепленного со стаканчиком. Стаканчик сейсмоприемника плотно укрепляется на грунте. Когда снизу приходит упругая волна, стаканчик и магнит двигаются вместе с поверхностным слоем почвы, а грузик и катушка в силу инерции в первый момент остаются на месте, а потом, при следующих колебаниях, как бы отстают от движения стаканчика и магнита. Поэтому все время, пока колеблется грунт, катушка сейсмоприемника перемещается относительно магнита, и в ней возбуждается слабое переменное электрическое напряжение. Больше амплитуда колебаний почвы—больше и напряжение. Напряжение это подается на ламповый или полупроводниковый усилитель, усиленный во много раз сигнал подается на шлейфовый гальванометр — обычный зеркальный гальванометр, но только с очень коротким периодом собственных колебаний (или, что то же самое, с высокой частотой собственных колебаний). При прохождении тока рамка гальванометра колеблется, и тонкий световой луч, отраженный зеркальцем на движущуюся фотобумагу, записывает на ней движение грунта. Обычно в схему включаются еще и фильтры — для того чтобы пропустить на гальванометр только полезные колебания. Что же «видит» эхо сейсморазведки в слоях Земли? И прежде всего, почему вещество Земли залегает слоями?

Ранее мы уже говорилось вскользь о том, какие процессы формируют поверхность Земли. Внешние процессы — это работа ветра, осадков, замерзающих в трещинах горных пород, рек и ручьев, переносящих и перетирающих продукты их разрушения, работа прибоя, разрушающего берега, осаждение на дно озер и морей бесчисленных остатков живых организмов, выпадение из растворов солей и т. д. Внутренние процессы — это медленные перемещения участков земной коры, образование гор, землетрясения, извержения вулканов и внедрение магмы в земные слои.

Внешние геологические процессы и разрушают горные породы, и создают их вновь. Сложные и взаимосвязанные процессы разрушения и созидания непрерывно идут вблизи поверхности Земли. И везде, где идет образование новых горных пород, — на дне ли океанов, в торфяных озерах или в низовьях рек — под действием земного притяжения осадки откладываются ровными горизонтальными слоями. Когда постепенно меняются условия, одни отлагающиеся породы сменяются другими: поверх толстого слоя мельчайших известковых раковин может начать отлагаться песок или глина, и так далее. Год за годом, тысячелетие за тысячелетием идет время, и постепенно в понижениях земной поверхности накапливаются мощные толщи осадочных пород, А если к тому же эти участки медленно и постепенно опускаются, тогда толща осадков может достигать огромной мощности. Так, в районе нижнего течения реки Куры и в прилегающих частях Каспийского моря мощность толщи осадков превышает 15 км!

Погруженные на большую глубину осадочные породы испытывают огромное давление вышележащих пород, действие высокой температуры, горячих растворов циркулирующей воды. Постепенно слои мельчайших известковых скелетов морских животных превращаются в известняк, песок — в песчаник, глина — в сланцы. И где-то среди этих слоев оказываются включенными участки с повышенным содержанием того или иного нужного людям химического элемента — месторождения полезных ископаемых.

Внутренние геологические силы тоже могут привести к образованию горизонтальных слоев породы. Так бывает, когда на широкие пространства изливаются базальтовые лавы вулканов. Но внутренние процессы подчинены не только действию равномерно распределенной силы земного притяжения — здесь процессы сложней и разнообразней. Под действием глубинных сил большие участки — блоки — земной коры испытывают поднятия и опускания, здесь возникают сильные боковые движения — и горные породы сминаются в складки, образуют горные цепи. Слои, залегавшие на ‘большой глубине, вновь поднимаются к поверхности и вновь подвергаются действию ветра и поверхностных вод. На крутых, берегах рек, в горах и на морском берегу часто можно видеть уже не горизонтальные, спокойно залегающие слои, но мощные складки каменных пород, изогнутые и смятые некогда в земных глубинах.

Наблюдая и сопоставляя между собой такие оголенные участки, где видны слои пород разного возраста и происхождения, находя в этих слоях окаменевшие остатки древних животных и растений, геологи научились определять время и условия образования этих пород. Составлены геологические карты, показывающие, какие породы залегают непосредственно у поверхности Земли, подслоем почвы. На основании геологических данных выделяются участки, перспективные для поисков полезных ископаемых.

Геологу, однако, приходится при своей работе довольствоваться тем, что можно заметить на поверхности и в береговых обнажениях. И вот, когда надо детально проследить ход пластов в глубине земли, на помощь приходит сейсморазведка.

Задача не проста. Ведь если в изучаемом районе есть несколько различных слоев, да к тому же не известна скорость воли в них, как определить их глубину, как разобраться во всей путанице волн? Сейсморазведчики поступают так: запись взрыва производится не одним сейсмоприемником, а несколькими (обычно 12 или 24), расположенными по прямолинейному профилю на некотором расстоянии друг от друга. Запись движения почвы во всех точках их размещения производится на одну полосу фотобумаги. Теперь уже легче отличить случайное колебание от прихода нужной волны: необходимые для интерпретации вступления волн легко сопоставляются (как говорят, коррелируются) по всем каналам записи.

Хотите в разы преумножить свой капитал? Тогда я хотел бы порекомендовать Вам банк «РОСТ», вклады в который считаются на данный момент самыми выгодными! Посудите сам: вложив 1 000 000 рублей, Вы каждый месяц будете получать дивиденды в размере 8 000 рублей!

Быстрое изменение давления может образоваться и в твердом, и в жидком, и в газообразном теле. Поэтому во всех этих телах возможны продольные волны. Привычные нам звуки тоже распространяются и в воздухе, и в воде, и в стенах наших зданий в виде продольных волн. В твердом теле скорость продольных волн зависит не только от модуля сдвига, но еще и от модуля объемного сжатия k:

В этом случае на отклоняющуюся от положения равновесия частицу действуют возвращающие силы, связанные с изменением объема вещества и с изменением его формы. Частица возвращается в положение равновесия и передает свое движение соседним частицам скорее, чем в случае действия одних только сил, вызванных изменением формы, поэтому скорость продольных волн в твердом теле всегда больше скорости поперечных волн. Отношение этих скоростей для большинства твердых тел остается почти неизменным:

Если вещество, в котором распространяется упругая волна, однородно, то волна движется по прямой. Но представим себе, что волна упала на границу, за которой свойства вещества изменились так, что скорость упругих волн там стала больше.

Рис. 2. Схема образования преломленных и отраженных волн при падении ‘продольной волны на границу раздела двух сред. АВ — направление движения падающей на границу продольной волны; ВС, BD, BF, BG — направление движения четырех вторичных волн, образовавшихся на границе раздела

Из школьного курса физики хорошо известно, что в этом случае волна преломится и в среде с большей скоростью пойдет более полого. Вглядимся внимательнее в чертеж (рис. 2): продольная волна, идя по пути ЛБ, в точке В упала на границу раздела двух сред тп. Дальше она в силу законов преломления должна идти по пути ВС. Но в точке В частицы нижней среды испытали толчок не точно в направлении ВС, а наискось, в направлении BE. Значит, кроме продольной волны здесь, на границе двух сред, должна образоваться и вторая преломленная волна — поперечная BD. Угол, под которым она пойдет, зависит целиком от соотношения скоростей волн: исходной (продольной) — в верхней среде и образовавшейся (поперечной) — в нижней. Распределение амплитуд в обеих преломленных волнах будет зависеть от угла падения исходной волны, а также от соотношения скоростей и связанного с ним соотношения углов, по которым побегут волны.

Остается добавить, что кроме преломленных волн на каждой границе двух сред будут образовываться еще и волны, отраженные от этой границы, тоже продольная BF и поперечная BG. Можно представить себе, какое сложное переплетение различных волн получится, если исходная волна пройдет несколько границ! Но именно это свойство волн и позволило разобраться в строении недр земного шара.

Что же будет, если скорость волн в твердом теле не постоянна, а плавно меняется с глубиной? В этом случае пути упругих волн будут искривляться, и в конце концов ушедшая в глубину волна может выйти наружу.

Всего сказанного еще недостаточно, чтобы понять, как удалось с помощью упругих волн заглянуть в земные глубины. Нам придется поговорить еще о так называемых головных и поверхностных волнах.

Если упругие продольные волны исходят из одного источника, то по мере удаления от него они падают на границу раздела двух сред все более наклонно. Если в нижней среде скорость волн выше, то при определенном угле, называемом углом полного внутреннего отражения, преломленная волна пойдет вдоль границы двух сред. Это и будет головная волна. Распространяясь вдоль границы, она непрерывно излучает колебания в вышележащую среду. По этим колебаниям и узнают, что глубже, вдоль границы раздела бежит головная волна.

А вот если источник колебаний был расположен вблизи свободной поверхности твердого тела, тогда кроме уже известных нам волн вдоль поверхности тела побежит волна особого типа — поверхностная волна. Ее движение не захватит глубоко частицы тела — на глубине около одной длины волны колебания поверхностной волны практически уже неощутимы. В этом отношении упругая поверхностная волна очень похожа на привычные нам водяные волны с той только разницей, что возникновение водяных волн связано с действием силы тяжести, а не упругих сил, как в твердом теле.

Представим себе, что в твердом теле существует слой, скорость упругих волн в котором меньше, чем по обе стороны от него. Что будет с волной, попавшей в этот слой? Стремясь наверх, она искривит свой путь и вернется обратно; стремясь вниз, она испытает то же самое. Вечная пленница слоя пониженной скорости, волна не растратит теперь свою энергию на все пространство, а сосредоточит ее в узком слое, называемом волноводом.

Не растратит? Как же растрачивает волна свою энергию? Дело в том, что упругость реальных тел никогда не бывает идеальной. Какая-то часть энергии, потраченной на раскачивание все новых и новых частичек тела, утрачивается безвозвратно для упругих колебаний, так как превращается в тепло. Поэтому амплитуда колебаний в волне, распространяющейся в твердом теле, постепенно уменьшается. В колебаниях с коротким периодом движение частиц происходит более энергично, и энергия расходуется в них на тепло более быстро. Упрощенно можно сказать, что любая волна за один период колебаний (т. е. на пути в одну длину волны) теряет примерно одинаковую долю энергии. Поэтому короткопериодные колебания на одинаковом по длине пути затухают быстрее длиннопериодных. Это же явление хорошо знакомо нам и в оптике: более длиннопериодное излучение красного цвета лучше проникает через туман, чем более короткопериодное другого цвета. Недаром все сигнальные огни на высоких вышках — красного цвета.

Вооруженные этими сведениями, мы можем приступить к путешествию в земные глубины. Нам придется использовать колебания самого разного происхождения: их источниками будут удары и взрывы, осуществленные человеком, внезапные грозные подземные толчки землетрясений, притяжение Луны и медленное дыхание земных глубин. Но для всех видов колебаний Земли геофизика нашла «работу», все они записываются сложными приборами геофизических станций и, будучи порождением жизни Земли, сами вносят свою лепту в раскрытие ее тайн.

Покой и движение неразрывно соседствуют в природе. Покоится твердое тело, но его частички — молекулы — совершают интенсивные тепловые движения. Покоится океан, но ветер раскачивает его поверхность и побуждает двигаться огромные массы воды, вызывая морские течения. Покоятся в жарком летнем небе облака, но в них происходят незаметные глазу интенсивные движения воздуха, водяных капелек и осевших на этих капельках электрических зарядов, пока не разряжается это облако бурной грозой. Везде, где присутствует материальная среда, частички этой среды оказывают сопротивление всякому нарушению их устойчивого положения, тормозят движение любого постороннего тела. И почти всегда, практически во всех возможных случаях, взаимодействие двух тел не обходится без возникновения колебаний: всякая частичка, возмущенная посторонним воздействием. И отклоненная от равновесного состояния, подобно отведенному в сторону маятнику, стремится вернуться на свое место. Но частичка, уже возмущенная, приобрела скорость, и опять-таки, подобно маятнику, она с ходу проскакивает равновесное положение и отклоняется в другую сторону. Потом она возвращается снова и снова, и движение ее в разные стороны постепенно затухает по мере того, как она отдаст свою энергию своим соседкам и эта энергия, из механической превращаясь в тепловую, ие рассеется в окружающем пространстве. Так возникает колебательное движение — неизбежный результат диалектического единства движения и покоя.

Механические колебания, о которых мы сейчас говорим, не единственный вид колебаний. Всем стали уже привычны колебания электромагнитного поля — свет, рентгеновы и гамма-лучи, радиоволны. Но нам придется иметь дело главным образом с механическими колебаниями, и о них пойдет речь дальше.

Если заставить колебаться одну или несколько частиц вещества, то они в своем движении раскачают соседние частицы, те — следующие, и так далее. В этом случае мы говорим уже о волновом движении, о волнах. Камень, упавший в тихий пруд, даст нам самое наглядное представление о волновом движении. Возмущающая сила (удар камня о поверхность воды) уже прекратила свое действие, но само возмущение в виде круговых волн на поверхности воды побежало в стороны и будет распространяться и тогда, когда в месте падения камня вода уже успокоилась.

Важнейшая характеристика колебаний — их период. Периодом называют время одного полного колебания частицы. Иными словами, период маятника — это время, которое пройдет между двумя последующими возвращениями маятника в одну из крайних точек. Период волнового движения — это время, за которое перед глазами наблюдателя пройдет одна полная волна, от гребня до следующего гребня. Период обычно обозначается буквой Т и измеряется в секундах или в долях секунды.

Часто в технике и акустике — науке о звуке — используется величина, обратная периоду, называемая частотой (ν):

ν=1/T.

Частота — это величина, показывающая, сколько полных колебаний произойдет в течение одной секунды. Она измеряется в герцах (1 герц — это одно колебание в секунду, волна с частотой в 1 герц имеет период, равный 1 секунде).

Размах колебаний называется амплитудой, причем амплитуда измеряется от положения равновесия до максимального отклонения. Следующая важная характеристика волнового движения — длина волны. Так называется расстояние от одного гребня до другого. Легко сообразить, что, чем быстрее движется волна, тем большее расстояние успеет пройти один гребень за время одного периода. Поэтому скорость волны (обычно обозначается υ), ее длина (обычно обозначается λ) и ее период Т
связаны соотношением:

λ=υT.

До сих пор мы для простоты говорили о гребне волны. Но если звуковая волна распространяется в воздухе, внутри жидкости или в твердом теле — мы не заметим никакого гребня. Вместо этого частицы будут колебаться так, что в теле будет распространяться во все стороны возмущение, например, участок повышенного давления, и все сказанное о длине волны и периоде будет относиться к расстоянию между двумя участками максимального возмущения. При этом, оказывается, возможно возникновение волн двух типов.

Возьмем длинный железный прут, будем держать его горизонтально и ударим сверху молотком по его концу (рис. 1). Частицы стержня на его краю резко сместятся вниз, увлекут за собой соседние частицы, те — соседние, и вдоль стержня побежит волна изгиба. Волна бежит вдоль стержня, а частицы колеблются поперек, поэтому волна такого типа называется поперечной волной. В поперечной волне частицы, участвующие в колебании, могут колебаться как угодно в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Рис. 1. Образование поперечной и продольной упругих волн. В поперечной волне (А) частицы вещества смещаются поперек направления распространения волны; в продольной волне (Б) — вдоль направления распространения волны. В нашем случае продольная волна начинается волной сжатия

От чего же зависит скорость такой волны? Теория колебаний отвечает на этот вопрос: от плотности вещества и одной из характеристик его упругих свойств — так называемого модуля сдвига (этот модуль показывает, какое усилие надо затратить на боковое смещение частичек вещества, т. е. характеризует сопротивление вещества всякому изменению его формы). Если мы используем обычные обозначения: для плотности — ρ, для модуля сдвига р, то формула скорости поперечной волны будет иметь вид:

Может ли поперечная волна распространяться в жидкости или газе? Легко сообразить, что ни жидкость, ни газ не оказывают никакого сопротивления изменению их формы, иными словами, у них модуль сдвига μ = 0. Следовательно, и скорость поперечных волн равна нулю, другими словами, в жидкости и газе такие волны не возникают.

Если теперь ударить молотком по торцу длинного стержня (рис. 1), то под действием удара вещество стержня вблизи торцовой поверхности сожмется. В следующий момент частицы передадут давление сжатого слоя следующему слою, тот — следующему, и вдоль стержня побежит упругая волна. Частицы в этой волне движутся вдоль направления движения волны, и поэтому волна называется продольной. В нашем случае впереди бежит сжатая зона, а за ней следует зона разрежения: в первый момент частицы сдвинулись по направлению движения. Это — продольная волна сжатия. Но представим себе, что удар нанесен по выступу в середине стержня. Тогда вперед от середины побежит продольная волна сжатия, а назад, с той же скоростью, продольная волна разрежения.

В предыдущих статьях мы с Вами познакомились в самых общих чертах с нашей планетой. Сейчас нам предстоит последовательно и довольно подробно познакомиться с ее внутренним строением.

Самая глубокая точка на карте нашей планеты – Марианская впадина, простирающийся в самые недра нашей планеты аж на 10 994 м. Интересный факт, на дне этого исполинского разлома были обнаруженный самые настоящие горы, а это значит, что миллионы лет назад там бала суша.

Какое же орудие избрать для начала? Самые глубокие шахты уходят в самое чрево Земли на глубины до 4 км, а скважины— на 7,5 км, но самыми глубокими являются естественные разломы, образовавшиеся в ходе эволюционного развития Земли, так Глубина Марианской впадины по последним данным достигает 10 994 м. Пробы грунта и фотографирование морского дна проведены на глубине примерно 10 км от поверхности океана, самое глубокое бурение морского мелководья проведено на Каспии — около 5 км. Единственная скважина на 5-километровой глубине океана углубилась в морское дно на 180 метров. Самые глубинные геологические пласты подняты на поверхность Земли с глубины едва ли больше 10—12 км. Как же глазу исследователя, точным приборам проникнуть глубже?

Жюль Верн послал своих героев к центру Земли через жерло вулкана. Но глубочайшие очаги вулканической магмы лежат на глубине всего 100—150 км, к тому же магма, ‘поднимаясь столь длинным путем, за время подъема очень сильно изменяет свой состав и не дает полного представления о том, что делается в магматическом очаге. Как же быть? Какой инструмент пригоден для проникновения вглубь?

Может быть, что-то вроде рентгена? Не получится: быстрые электромагнитные колебания и даже самые сверхэнергичные космические частицы могут одолеть лишь десятки метров земной толщи. Нейтрино? Эти частицы ведь пронизывают с легкостью всю толщу земного шара… Увы, изучать строение земного шара с помощью нейтрино много труднее, чем черпать воду решетом: эти частички проскакивают через земной шар, практически не замечая ни его толщи, ни тех приборов, которые мы сейчас можем поставить на их пути. В отличие от электромагнитных колебаний их проникающая способность слишком велика. Может быть, поток нейтрино удастся использовать в будущем, когда мы научимся легко готовить и сортировать эти частицы.

Остается… Вспомните, как определяют пустоты в стене и раковины в толстых отливках металла, которые не берет никакой рентген. Звук! Вот что будет нашим орудием. Но не только слышимый нами звук, но и другие виды упругих колебаний, распространяющиеся в теле Земли. И для того чтобы лучше понять, как использует наука это могучее средство исследования, нам придется ненадолго забыть о Земле и поговорить об основных свойствах колебательных движений.

Какая будет завтра погода? Высоким ли будет паводок? Как проложить точный маршрут по суше и использовать попутные ветры и течения в океане? Повторится ли здесь разрушительное землетрясение? Где лучше искать запасы подземных руд? Как предсказать нарушение радиосвязи? Как строить на вечной мерзлоте? Как использовать подземное тепло? В поисках ответов на эти и на тысячи других вопросов рождались различные отрасли геофизики: метеорология, геодезия, океанография, гляциология, геомагнетизм, сейсмология и другие. И почти в каждой из этих наук сначала ученые ограничивались наблюдениями интересующих их явлений в одной или немногих точках, мало заботясь о том, что делается на соседнем континенте или в смежной отрасли науки. И Земля как бы распадалась на отдельные маленькие лаборатории, отгороженные одна от другой.

Но постепенно, по мере накопления фактов становилось очевидным, что ни одно природное явление на Земле не может быть до конца понято, если его изучать изолированно от других, казалось бы далеких явлений. Становилось очевидным и другое: несмотря на огромные размеры Земли, процессы в ее недрах и на поверхности происходят в каждом месте не изолированно, но в тесной связи с процессами на больших пространствах планеты.

Огромный циклон, зародившись где-нибудь в северной части Атлантического океана, за несколько дней мог изменить погоду во всей Европе до Уральских гор и даже дальше. И одновременно тот же циклон, еще находясь в океане, мог породить слабые колебания земной коры, записываемые сейсмическими станциями на всей той территории, куда он должен был через несколько дней принести плохую погоду. Можно привести пример и обратного воздействия: медленные, длящиеся тысячи лет движения морского дна могут нарушить режим и маршрут глубинных морских течений, при этом резко изменится процесс переноса тепла океаническими водами, на большой территории сразу станет теплее… Именно так кончился 8—9 тысяч лет назад в Европе последний ледниковый период, кончился, когда теплые воды Гольфстрима, прорвавшись сквозь опустившийся глубже подводный Фарерский порог, пустились в далекий путь, огибая берега Скандинавии, неся тепло всей Северной Европе. И даже сейчас небольшие колебания высоты Фарерского порога настолько ощутимо сказываются на режиме вод, что небольшие вариации в переливе подводных течений через этот порог меняют уловы рыб в Северной Атлантике.

Постепенно в геофизике возникали представления об очень сложной системе связей между различными процессами на всем земном шаре. И развитие науки неумолимо привело к тому, что стало необходимым провести хотя бы в течение очень короткого срока наблюдения по всему земному шару, силами всех наук о Земле, едиными средствами и методами. Так возникла идея Международного геофизического года, в проведении которого участвовали 67 стран.

Три года шла подготовка к этому мероприятию, согласовывались программы наблюдений, выбирались места для новых геофизических станций, прокладывались маршруты экспедиций, обучались наблюдатели и готовилось оборудование. Тридцать месяцев, 914 дней — с 1 июля 1951 г. по 31 декабря 1959 г. — продолжалась эта небывалая научная эпопея. А затем настало время планомерной и методической обработки собранных материалов.

Сейчас, когда материалы МГГ в основном уже обработаны, ученым ясно, что только такой путь мог привести к значительному прогрессу в наших знаниях о Земле. И после завершения МГГ его идеи не умерли, наоборот, на ближайшие годы намечено осуществление многих новых международных геофизических проектов.

У программы Международного геофизического года была, однако, одна особенность: в течение МГГ главной задачей ученых было проникнуть в тайны внешних оболочек Земли — водной оболочки (океаны, моря, ледники), воздушной оболочки (атмосфера) и околоземного пространства. Задачам изучения недр твердой Земли в этой программе отводилась в целом скорее подсобная роль. Тем не менее и в этой области был сделан ряд важных открытий.

Таблица 1

ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

(справочные таблицы)

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

—————————————————————————————————————-

* расстояние от Земли.

** период вращения вокруг Земли.

—————————————————————————————————————-

Таблица 2

ОБЪЕМ И МАССА ЧАСТЕР1 ЗЕМЛИ

Таблица 3

ФОРМА ЗЕМЛИ

Таблица 4

ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ

Таблица 5

СРЕДНИЙ ВЕСОВОЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ В ПРОЦЕНТАХ *

—————————————————————————————————————-

* знак ~ означает содержание менее 0,01% по весу.

—————————————————————————————————————-

Таблица 6

НЕКОТОРЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕМЛИ

Внутреннее строение третьей планеты от солнца, получившей название Земля

Зато целиком изучению недр Земли посвящен новый международный проект, впервые предложенный в 1960 г. крупным советским геологом членом-корреспондентом Академии наук СССР В. В. Белоусовым. Этот проект, носящий название «Верхняя мантия Земли и ее влияние на развитие земной коры» или просто «Проект верхней мантии», должен направить усилия представителей наук о твердой Земле во всех странах мира на исследование тех процессов, которые происходят в недрах Земли на глубине до 800—1000 км и определяют все важнейшие события и явления в самых верхних слоях Земли: образование океанов, континентов, горных хребтов, возникновение землетрясений и извержения вулканов, закономерности образования полезных ископаемых и запасы подземного тепла…

Сколько же времени существует Земля? Вопрос этот немаловажен — ведь из-за огромных ее размеров процессы в ее недрах происходят не слишком быстро, и нынешнее состояние недр может быть достаточно полно объяснено лишь с учетом данных об истории развития Земли.

Для определения возраста горных пород сейчас повсеместно используются методы измерения слабой естественной радиоактивности этих пород. Радиоактивные тяжелые элементы уран и торий с течением времени превращаются в один из стабильных (т. е. дальше уже не распадающихся) изотопов свинца. Радиоактивный изотоп калия точно так же со временем превращается в газ аргон, а радиоактивный изотоп рубидия — в один из изотопов стронция.

В природе существует великое множество и других радиоактивных превращений, но перечисленные три оказались наиболее удобными, так как ничтожные, но поддающиеся измерению примеси либо урана, либо тория, либо калия, либо рубидия можно найти в каждой горной породе. Дальше расчет основывается на следующих соображениях: до образования горной породы продукты распада уносились прочь посторонними процессами. Когда порода образовалась (остыванием расплавленной лавы или выпадением из водного раствора), продукты распада радиоактивного изотопа уже не могут быть унесены и накапливаются в породе (исключение составляет газ аргон, для которого приходится учитывать его утечку путем просачивания сквозь мельчайшие поры породы).

Зная, что получившийся в итоге радиоактивного распада изотоп не может никаким другим путем поступить в горную породу, и определив лабораторным путем скорость распада исходного изотопа, можно произвести точный количественный изотопный анализ образца горной породы (в помощь химическим методам для определения ничтожных примесей различных элементов, возникающих в результате радиоактивного распада, применяется спектральный анализ). Несложный расчет даст теперь то время, которое понадобилось для накопления измеренного количества изотопа, образовавшегося при распаде исходного вещества.

К настоящему времени в лабораториях всего мира проведены многие и многие тысячи определений возраста горных пород. Результаты интересны: возраст самых древних из обнаруженных на Земле пород — гранитов Карелии и Канады превышает 3,5 миллиарда лет. Сама Земля еще старше, по всей вероятности, ей 4,5—5 миллиардов лет.

По своим размерам Земля не может тягаться с гигантами Вселенной: объем самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера — превосходит объем Земли в 1400 раз (см. рис. 1), а объем самых больших звезд — красных гигантов — превышает объем Земли в тысячи миллиардов раз. Но вот возраст у Земли вполне «космический» — астрономы оценивают возраст всей системы видимых нами галактик в «каких-нибудь» 12—20 миллиардов лет. На небе мы можем наблюдать множество звезд и туманностей, возникших в те времена, когда Земля была вполне оформившимся небесным телом и на ней пышно развивалась жизнь.

Пять миллиардов лет — срок немалый, и было бы совсем не так уж удивительно, если бы за это время Земля закончила свое развитие и всякие процессы в ее недрах прекратились.

Человеческая жизнь коротка, и с первого взгляда действительно может показаться, что в природе движение царит только в воздухе и в воде и, когда отбушуют бури, сойдет снег и успокоится океан, твердая Земля останется точно такой же, как и год назад.

Но если пристальней вглядеться в окружающий нас мир, то можно заметить, что здесь овраг, размытый весенней водой, чуть больше врезался в склон холма, там новые камни упали с нависшей скалы, и река чуть изменила русло, и старое озеро еще больше заросло камышом, и прибой еще дальше разбил низкий берег… И если подсчитать, с какой скоростью ветер выветривает и вода размывает горы, сколько песка и глины взносят в океан крупные реки, то окажется, что потребовалось бы всего несколько миллионов лет, чтобы полностью размыть и снести в океан всю сушу, все континенты и острова. Но Земля существует миллиарды лет, и если за миллиарды лет океан бессилен справиться с сушей, то это может быть лишь потому, что, как бы сопротивляясь разрушительному действию внешних сил, в результате деятельности земных недр вздымаются новые горные хребты, создаются новые острова, растут новые участки суши.

Внутренние геологические процессы по большей части происходят медленно. Так, например, за 250 лет, прошедших со времени основания Петербурга, поверхность суши в устье Невы поднялась на метр с лишним. Со скоростью около сантиметра в год опускается побережье Голландии. Но мы знаем и гораздо более быстрые процессы — землетрясения, за несколько секунд сдвигающие на несколько метров земные пласты длиной в десятки километров, страшные извержения вулканов. Поверхность Земли несет на себе следы и медленных движений, и мгновенных катастроф, и ученые уже начинают сомневаться в постоянстве основных физических полей Земли.

Если представить себе, что в силу общих свойств мира сила тяжести уменьшается с течением времени, то окажется, что ослабшее поле тяготения не сможет удерживать в прежнем состоянии сжатые, напряженные горные породы. Земля начнет расширяться, вспухать. Уже несколько лет подобные гипотезы обсуждаются в различных статьях — от серьезных научных работ до самых легкомысленных спекуляций, где главным доводом в пользу расширяющейся Земли служит то, что вырезанные по контуру континенты можно так сложить на значительно меньшем глобусе, что они совпадут плотно, без просветов для океанов… Однако до сих пор нет сколько-нибудь убедительных доказательств ослабления поля тяготения. А о расширении Земли нам еще придется поговорить.

Гораздо определеннее обстоит дело с магнитным полем. Уже давно было замечено, что направление, которое указывает стрелка компаса, не совпадает с точным направлением на Северный полюс и, больше того, медленно меняется год от года. Это означает, что магнитные полюса нашей планеты не остаются на месте, а блуждают. Вернее сказать, магнитные полюса мечутся, смещаясь в день порой на несколько километров, возвращаясь на старое место и опять описывая вокруг него петли. Однако при этом среднесуточное положение магнитного полюса неуклонно изменяется, и поэтому карты магнитного склонения, на которых показано, на какой угол в каждом пункте поверхности отличается направление магнитной стрелки от направления на северный географический полюс, приходится заново пересоставлять каждые пять лет.

Мы знаем уже, что источники земного магнитного поля лежат очень глубоко в недрах Земли (забегая вперед, можно сказать точнее — в земном ядре). Значит, и самые внутренние части Земли не успокоились, в них продолжается движение.

Из всех планет Солнечной системы Земля оказалась самой приспособленной для развития на ней жизни и единственной (сейчас это можно сказать с уверенностью), на которой жизнь смогла развиться до самых высокоорганизованных форм, до разумной жизни. И вот сейчас ученые начинают понимать, что огромную роль в процессе развития высших форм жизни, продолжавшемся миллиарды лет, сыграли именно процессы развития, изменения земных недр и вызванные ими изменения условий жизни на поверхности Земли. Не случайно, что в океане, где условия жизни гораздо менее изменчивы, разумная жизнь так и не появилась. И лишь на суше, где под влиянием процессов в недрах Земли происходили перемены климата, наступали и отступали ледники и даже значительно менялся уровень интенсивности космической радиации, лишь здесь живые организмы находились под непрерывным воздействием значительных перемен в сфере их обитания. Эти перемены стимулировали развитие и образование новых форм животных, оставляли в живых, так сказать, наиболее «перспективные» ветви живого мира. На самом последнем этапе геологической истории, когда уже возник первобытный человек, природа создала ему не тепличные условия, а сложный мир стихий, мир снегов и льдов, разливов рек, бурь, засух, тот самый мир, в борьбе за овладение которым человек стал человеком.

Наша планета трудна для изучения, многообразна и переменчива. Будем же мы, ее жители, благодарны ей за это!