Обычные частоты волн, используемые в сейсмической разведке, лежат в пределах нескольких сотен герц и не опускаются ниже десятков герц. Соответственно подобрана и чувствительность сейсмоприемников, и диапазон усилителей, и частоты фильтров. Как ни увеличивать мощность заряда, волны такого периода не смогут одолеть значительную протяженность и глубину земных слоев — они затухнут. Для того чтобы перейти к изучению более глубоких горизонтов, необходимо использовать более длиннопериодные, более низкочастотные колебания.

К такому выводу пришел и британский инженер Бранс Уоллесом, создавший во время Второй Мировой Войны одно из самых разрушительных оружий всех времен и народов – сейсмическую бомбу

Июньским утром 1936 года мощный взрыв потряс окрестности гор Коркино на Урале. 1800 тонн взрывчатых веществ было взорвано одновременно, для того чтобы снять земляную подушку, прикрывающую месторождение угля. Но этот взрыв был использован не только горняками. На разных расстояниях и в разных направлениях от пункта взрыва были установлены специальные временные сейсмические станции: сейсмологи ожидали, что волны взрыва окажутся достаточно мощными, для того чтобы дойти до нижней границы земной коры и вернуться обратно. Их ожидания оправдались. Используя несовершенную, порой кустарную технику, молодые ученые Сейсмологического института Академии наук СССР впервые произвели определение мощности земной коры по записям большого взрыва.

В те годы сведения о земной коре были очень скудными. В 1909 году югославский ученый А. Мохоровичич заметил, что на сейсмограммах близких землетрясений (а мы еще вернемся позднее к землетрясениям) можно заметить два вступления продольных волн, две волны, из которых одна, более слабая, появлялась лишь на определенном расстоянии от очага землетрясения (ближе ее просто нельзя было заметить на фоне более сильных колебаний), и , ее годограф был прямолинейным. Следовательно, эта волна была головной, образовавшейся на какой-то глубокой границе в недрах земного шара. Мохоровичич установил, что скорость продольных волн глубже этой границы составляет около 8 км/сек, а ее глубина — около 30 км от поверхности Земли. Скорость волн более сильного вступления, названного прямой волной, была много меньше, всего около 6 км/сек. Так был открыт самый верхний слой Земли, существенно отличающийся по свойствам от нижележащих слоев,— земная кора. Граница, отделяющая земную кору от нижележащей оболочки, или мантии Земли, получила название «граница Мохоровичича», или попросту на международном жаргоне сейсмологов — Мохо. Жаль, что многие журналисты, пишущие о нынешних проектах достижения границы Мохо, не дают себе труда понять, о чем, собственно, идет речь, и на все лады склоняют несуществующие и бессмысленные термины «слой Мохо», «проект Мохо» и так далее.

Итак, граница Мохо — примерная глубина 30 км, примерная скорость упругих волн ниже нее — 8 км/сек — вот, пожалуй, и все, что знали мы в начале тридцатых годов. Известно было еще и то, что другой сейсмолог, Конрад, также по записям близких землетрясений и тем же методом выделил между земной поверхностью и границей Мохоровичича еще одну, промежуточную, границу, названную границей Конрада. Пользуясь косвенными данными, многие геологи не замедлили прийти к выводу, что земная кора подобна двухслойному пирогу с легкой корочкой сверху. Под чехлом осадочных пород, говорили они, начинается кристаллический фундамент горных пород. Верхний слой его — от осадочных пород до границы Конрада — гранитный. Нижний — от границы Конрада до границы Мохоровичича — базальтовый. Еще ниже, под земной корой, лежит мантия, сложенная гипербазитовыми породами — эклогитами, дунитами, перидотитами или габбро. Эта схема казалась очень ясной и простой, хотя никто не видел и не держал в руках ни гранита с глубины 10 км, ни тем более базальта с глубины 25 км. Дело в том, что скорости упругих волн в граните и базальте, определенные лабораторным способом, довольно хорошо совпадали о теми скоростями, которые наблюдались в природе для «гранитного» слоя — в среднем 5,6 км/сек и для «базальтового»— в среднем 6,3 км/сек. Поэтому и данные коркинского взрыва и такого же мощного тульского взрыва еще в 1948 году учебники сейсмологии укладывали в тесную схему двухслойной земной коры (табл. 1).

Таблица 1

Дальнейшие исследования показали, однако, что дело тут обстоит не так просто: в условиях повышенных температур и давлений привычные скорости упругих волн в горных породах оказывались другими. Работу по изучению слоев земной коры надо было продолжать.

Конечно, мощные взрывы, если они регистрируются достаточным числом сейсмических станций, могут дать важные и подробные сведения о строении земной коры. Беда в том, что такие взрывы очень дороги, и никто не станет производить их специально для того, чтобы определить строение земной коры в каком-нибудь районе.

К счастью, оказалось, что в большинстве случаев совсем нет необходимости взрывать сотни тонн тринитротолуола. Работами видного советского геофизика академика С. А. Гамбурцева и его учеников было доказано, что глубинное сейсмическое зондирование земной коры (сокращенно ГСЗ) можно проводить, взрывая сравнительно небольшие заряды, весом не более 200 кг. Если взрывы производятся в воде (это обеспечивает равномерную отдачу энергии во все стороны и дает возможность много раз повторять взрывы в одной точке), а регистрация осуществляется сейсмоприемниками, настроенными на частоту всего в десятки герц, то можно на расстоянии в несколько сотен километров записать волны, отраженные и преломленные на основных границах внутри земной коры.

Рис. 1. Расположение профилей сейсмического зондирования земной коры, пройденных до МГГ (тонкие линии) и во время МГГ (толстые линии)

Методы регистрации при этом остаются теми же, что и в сейсмической разведке, только расстояния между отдельными сейсмоприемниками увеличиваются от нескольких десятков до многих сотен метров. Разумеется, несколько видоизменилась и регистрирующая аппаратура.

Проникнуть на глубину в десятки километров и пройти не затухнув сотни километров могут лишь волны с частотой от нескольких десятков герц до нескольких герц. Поэтому другими стали частоты сейсмоприемников и фильтры, да и скорость регистрации уменьшилась: теперь одна секунда растягивается на записи всего на один или несколько сантиметров.

И вот за последние десять лет многие тысячи километров профилей ГСЗ исчертили поверхность нашей планеты (рис. 1). Особенно значительны были работы, проведенные во время Международного геофизического года (МГГ). Как и представители других отраслей науки о Земле, сейсмологи многих стран перешли от разрозненных, изолированных работ в различных уголках нашей планеты к более планомерному и всестороннему изучению земной коры. И прежде всего, потребовалось решить важный вопрос о работах ГСЗ на океанах: ведь поверхность суши занимает едва треть всей Земли и совершенно ясно, что земная кора под глубокими океанами должна иметь иное строение, чем на континентах.

Но если на суше порой бывает трудно найти хорошее место для взрывов (наблюдения вдоль одного из первых удачных сухопутных профилей ГСЗ большой протяженности были в СССР проведены между оз. Балхаш и оз. Иссык-Куль; взрывы в этих озерах позволили построить полную систему встречных годографов на всей трассе), то в океане — положение обратное: взрыв устроить легко в любой точке, а как разместить на водной глади многокилометровую полосу сейсмографов? Сейсмологи США пробовали, например, тянуть за кораблем длинную косу с навешенными приборами, но и ее длина была недостаточной, поэтому морские наблюдения не давали сплошных профилей, а позволяли строить лишь точечный профиль, от одного места наблюдений к другому. Научные сотрудники советской Тихоокеанской комплексной экспедиции пошли по другому пути. Нельзя поставить длинный ряд сейсмоприемников? Что ж, обратим задачу: пусть регистрация ведется в одном или немногих пунктах, а взрывы устроим во многих местах, по длинным профилям. И вот ненужное оружие прошедшей войны — глубинные бомбы — пошли в ход. По часам, по команде, одна за другой падали бомбы в пучину океана, словно атакуя вражеские подводные лодки. Но на этот раз целью этой мирной атаки была земная кора, и пышные столбы подводных взрывов отмечали те места, где открывались тайны земных недр, в сложной геологической зоне на стыке азиатского континента и Тихого океана.

Вот одна из сейсмограмм, полученных здесь в период МГГ (рис. 2). Отчетливо видно, как на протяжении десятков километров меняется разность прихода прямой и отраженной от границы Мохо волн: это значит, что здесь очень быстро меняется мощность земной коры — от 25 км под Охотским морем до 8 км под дном Тихого океана. Кстати, о дне океанов. Ведь не так-то просто было определить не только нижнюю границу земной коры — границу Мохоровичича. На океанах и ее верхняя граница — океанское дно — долго была скрыта от людей. И здесь науке опять помогли колебания, на этот раз высокочастотные акустические (звуковые). Современные эхолоты, улавливающие звук, отражаемый от морского дна, определили его глубину вдоль сотен тысяч, миллионов миль, пройденных экспедиционными судами десятков стран. И хотя на дне океана еще остаются «белые пятна» (выше мы говорили, что глубина на многих миллионах квадратных километров морского дна еще ни разу не измерена эхолотом), к 1963 году силами океанологов СССР, США и других стран уже были построены довольно подробные батиметрические карты всех океанов. Что же знаем мы сегодня о земной коре?

Рис. 2. Сейсмограмма глубинного сейсмического зондирования в переходной зоне от континента к океану. Стрелками показаны вступления сейсмических волн: Р° — продольная волна, преломленная на поверхности «гранитного» слоя; Р^М_отр — продольная волна, отраженная от границы Мохоровичича; R — расстояние от пункта взрыва в км, t — время от момента взрыва в сек. Время, прошедшее между вступлениями Р° и Р^М_отр, характеризует мощность земной коры. Справа — отрезок, соответствующий промежутку времени в 1 сек.

Рис. 3. Гипсометрическая кривая, показывающая распределение по площади земного шара участков суши с различной высотой над уровнем моря и участков морей и океанов с различной глубиной

На суше ее верхняя часть давно и подробно описана геологами. Дно морей сравнительно хорошо стало известно лишь недавно. Вот интересная диаграмма (рис. 3). Она показывает, какой процент всей земной поверхности занимают пространства с разной высотой над уровнем моря и разной глубиной от поверхности океана. Самые высокие участки земной коры — горные цепи с высочайшей точкой Земли горой Джомолунгма в Гималаях (8880 м
над уровнем моря). В большинстве своем — это сравнительно молодые участки земной поверхности, их возраст не превышает нескольких десятков миллионов лет. А на другом конце кривой — глубочайшие океанические впадины, и среди них — Марианская впадина, в которой максимальная измеренная глубина достигает 11 032 м
ниже уровня океана. Впадины — тоже молоды и тоже, как и горные хребты, расположены в районах, где наиболее сильно проявляется деятельность земных недр. Наибольшие пространства на суше занимают так называемые платформы — это обширные районы сравнительно стабильной земной коры. То же и в океанах — огромные пространства заняты типичным океаническим дном, сравнительно спокойной по рельефу подводной равниной с глубиной около 4—5 км.

На диаграмме (рис. 3) видно, что зона резкого перехода от низменностей суши к океаническому дну не лежит вблизи уровня моря, а соответствует глубине в несколько сотен метров. Действительно, подлинная граница океанов и материков — это не береговая линия, а граница так называемого континентального шельфа. Так называются ‘большие пространства океанического мелководья, примыкающие к суше. В самом деле, ведь количество воды в океане прямо не связано со строением земных недр и скорее зависит от теплового состояния земной поверхности.

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!

Мечтаете о путешествиях в иные миры и всем сердцем верите, что мы не одни во Вселенной? Если да, тогда советую Вам посмотреть нло видео на сайте you-seo.ru, которое является неопровержимым доказательством существования ‘зеленых человечков’!

Полем в физике называется такое состояние пространства (пустого или заполненного веществом), при котором в этом пространстве действуют физические силы. Чаще всего действие этих сил зависит в той или иной степени от расстояния до их источника. Самое привычное для нас поле — поле тяготения: уже в младенческом возрасте, едва начав ходить, мы познаем на опыте, что все тела притягиваются Землей и стремятся упасть на нее. Физическая природа тяготения до сих пор во многом остается загадкой, но для наших целей достаточно знать описательный закон всемирного тяготения, открытый еще Ньютоном: два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Силы притяжения между небольшими телами ничтожны. Если поместить в межзвездном пространстве вдали от сильных полей тяготения и при отсутствии сопротивления среды и других воздействий два больших бильярдных шара на расстоянии 1 м друг от друга, то, притягиваясь друг \к Другу, они начнут сближаться с такой скоростью, что столкнутся только спустя сотни тысяч секунд, т. е. через несколько суток. Насколько же больше должна быть масса Земли, если любое тело, сброшенное с пятиметровой высоты, через секунду уже касается земной поверхности! Очевидно, что поле тяготения, такое слабое при взаимодействии малых тел, начинает играть весьма важную роль в поведении огромных масс планет и звезд.

Именно действие земного поля тяготения позволило английскому ученому Кавендишу в своих знаменитых опытах определить массу Земли. Схема опыта была очень похожа на только что описанный пример. Кавендиш сравнивал притягивающее действие Земли на небольшой шарик и на большой свинцовый шар с известной массой. Путем сравнения он вычислил массу Земли. Впоследствии эти опыты были повторены с высокой точностью, и сейчас величина массы Земли принята 5,98*10²⁴ кг. Теперь, разделив массу Земли на ее объем, мы получим среднюю плотность Земли. Она равна примерно 5,5 г/см³. Но ведь плотность самых распространенных на поверхности Земли пород — песка, известняка, гранита — едва достигает 3 г/см³. Значит, в недрах Земли плотность вещества много больше. И «виновато» в этом, в первую очередь, поле земного тяготения. Камень объемом в один кубический дециметр давит на почву, на которой он лежит, с силой около 3 кг. Тяжесть каменного слоя толщиной всего в 1 м и площадью в 1 квадратный километр — уже 3 млн. тонн. А ведь чем глубже опускаться под поверхность Земли, тем больше будет давление вышележащих слоев горных пород. Легко сообразить, что в центре Земли, где равномерно действует притяжение масс со всех сторон, сила тяжести становится равной нулю. Но давление в этой области, созданное исключительно силой тяготения, достигает миллионов атмосфер. К результатам изучения земного поля тяготения, которым занимается отрасль науки о Земле, называемая гравиметрией, нам еще придется неоднократно возвращаться в дальнейшем.

Для понимания того, что происходит в недрах земного шара, важно знать не только давление. Не менее существенны для нас сведения о температуре земных недр. Если средняя температура поверхности земного шара немногим отличается от 0°С, то горячие глубинные источники, изнуряющая жара глубоких шахт, изверженная из недр Земли раскаленная лава убеждают нас в том, что недра Земли горячее ее поверхности и, следовательно, через земную поверхность из ее недр непрерывно идет поток тепла. Судя по последним измерениям, каждый квадратный метр земной поверхности безвозвратно отдает в пространство за сутки в среднем такое количество тепла, которым можно нагреть на 1° около литра воды. Конечно, на разных участках земной поверхности это количество тепла может колебаться в ту или иную сторону. Что же, еще одно оружие появляется у геофизиков: ведь по количеству тепла, выделяющемуся в океанах, на равнинах и в горных хребтах, мы можем судить о различиях температур под этими зонами на большой глубине.

В условиях увеличивающихся давления и температуры вещество земных недр может менять свои свойства. Конечно, при этом может изменяться и его состав, и это усложняет исследование земных недр с поверхности. Но все же мы можем представить себе, что под действием уже известных нам причин вещество земных глубин находится в сжатом, напряженном состоянии. И еще одно важное заключение можно сделать сейчас: поскольку сила тяжести и термическое поле на поверхности Земли распределены неравномерно, постольку и в недрах Земли существуют неоднородности и, в частности, неоднородно в земных глубинах и поле напряжений. Пусть читателю не покажутся слишком сложными эти рассуждения: все понятия, которыми мы до сих пор пользовались, встречаются в обыденной жизни, и требуется только некоторое воображение, чтобы перенести привычные представления о весе, давлении, температуре, упругой напряженности на громадное тело Земли.

Магнитное поле Земли – единственная преграда на пути солнечной радиации, способной в одно мгновение уничтожить всю жизнь на нашей планете

Говоря о физических полях Земли, никак нельзя забыть о ее магнитном поле. Его влияние сказывается прежде всего в окружающем Землю пространстве, где огромные дуги магнитных силовых линий служат ловушками, улавливающими космическое излучение и не пускающими его вниз, к поверхности Земли. За последние годы наши представления о ближайших окрестностях Земли, благодаря исследованиям на искусственных спутниках и ракетах, в корне изменились, и весь огромный комплекс электромагнитных явлений — воздействие на Землю всех видов солнечного и космического излучения, магнитные бури, полярные сияния, распространение радиоволн в ионосфере и тому подобное — рассматривается и объясняется совсем по-иному. В книге, посвященной твердой Земле, нет нужды останавливаться на этом, но важно помнить, что причина земного магнитного поля лежит глубоко в ее недрах. Последние магнитные наблюдения на спутниках показали, что влияние и основного магнитного поля, и крупных его неоднородностей, называемых аномалиями, очень медленно убывает при подъеме вверх на сотни километров.

Это и означает, что глубина залегания источников магнитного поля составляет тысячи километров вниз от поверхности Земли.

Магнитное поле Земли и наука о нем — геомагнетизм — еще один вид оружия в нашем геофизическом арсенале. Остается, пожалуй, упомянуть еще об одном свойстве горных пород — их электропроводности, которая тоже может быть оценена по наземным наблюдениям и дать в наши руки еще одну полезную характеристику состояния вещества глубоких недр.

Земля — шар, Земля вертится — вот два капитальных, важнейших факта, с установления которых началась наука о Земле.

Открытия эти дались нелегко. Взять, например, форму Земли. Ведь до самого последнего времени мы не могли увидеть шарообразность Земли в натуре, мы понимали умом опыт с исчезающим за горизонтом парусником, мы привыкли к виду школьного глобуса, но это все не было реальным представлением об огромном шаре, окутанном дымкой атмосферы, с резкой линией восхода или заката, черной тенью бегущей от тропика и до тропика с востока на запад. Такой — реальной, огромной, шарообразной — увидели Землю лишь наши славные космонавты, такой запечатлена она теперь на многих цветных снимках из Космоса.

Столетия прошли, пока на точные карты легли очертания материков, рек, горных хребтов. Сейчас поверхность суши известна довольно хорошо, и никогда не будет открыто ни гор выше Джомолунгмы, ни новых наземных хребтов или крупных рек. Скоро будет завершена и картографическая съемка Антарктиды. Но ведь суша составляет только около одной трети всей поверхности Земли. На нашем языке вся планета называется «Земля», но если смотреть по справедливости, то название «Океан» подошло бы здесь куда больше. Но вот поверхность твердой Земли в океанах известна еще очень плохо. Еще сегодня можно найти в океане пространства в несколько сотен тысяч квадратных миль, на которых не сделано ни одного промера глубины!

Но все же в общих чертах мы представляем себе форму земной поверхности. Сейчас это может вызвать улыбку, но в XVII веке несколько десятилетий, то затухая, то разгораясь, велся великий спор: сплюснута ли Земля, как мандарин, или вытянута вдоль оси вращения, как лимон? Две знаменитые экспедиции Французской академии наук отправились в путь: одна поближе к экватору, в Перу, другая как можно дальше на Север, в Лапландию. Их задачей было измерить длину участка земного меридиана.

Еще Эратосфен, о котором мы упоминали, измерил длину окружности земного шара и вычислил радиус Земли. Эратосфен знал по рассказам, что в день летнего солнцестояния в африканском городе Сиене (теперь Ассуан) Солнце в полдень освещает дно глубокого колодца и, значит, стоит в зените. Он измерил высоту Солнца в полдень этого дня в родной Александрии и произвел простой расчет: высота Солнца в Сиене — 90°, в Александрии — 82°8^/, расстояние по прямой дороге из Александрии в Сиену — АС = 5000 стадий (стадия — античная мера длины, равная примерно 160 м). Отсюда, как легко сообразить, длина окружности земного шара равна:

В измерениях Эратосфена ошибки измерения угла а и совсем уж неточно оцененного расстояния АС
благодаря случайности взаимно компенсировались, и он получил неожиданно близкую к истине цифру. Но, конечно, для того чтобы решить задачу о форме Земли, такие измерения не годятся.

Экспедиции Ла Кондамина в Перу и Мопертюи в Лапландию прошли десятки километров, строя точную сеть треугольников. Дело в том, что благодаря применению оптических инструментов до самого последнего времени измерять углы между направлениями на две точки из третьей на поверхности Земли было гораздо легче и точнее, чем измерять расстояние между этими точками. Поэтому точной мерной проволокой или специальными жезлами измеряли одну сторону треугольника, а дальше мерили только углы и по правилам тригонометрии вычисляли длину остальных сторон. К первому треугольнику пристраивали второй, третий, и наконец целой полосой триангуляции (триангль — треугольник) охватывалось значительное расстояние.

В наши дни триангуляцией покрыта большая часть обжитой территории суши. На смену мерной проволоке пришли радио- и светодальномеры, работающие на принципе интерференции волн. А большие расстояния на Земле несколько лет назад опять стали измеряться треугольниками — только одна из вершин этих треугольников оказывается уже не на Земле, а в небе — это спутник, одновременно наблюдаемый на фоне неподвижных звезд из нескольких точек земной поверхности. Фотографирование спутника с точным отсчетом времени в наши дни позволяет измерить расстояние там, где никак не построишь триангуляционную сеть: так связаны точными измерениями Гавайские острова и Северная Америка, Северная Америка и Европа, Южная Америка и Африка.

А как же форма Земли? Ну что ж, измерения французских экспедиций показали, что в Перу длина одного градуса дуги на несколько сотен метров меньше, чем в Лапландии. Очевидно, у полюса кривизна земной поверхности меньше, и, значит, Земля сплюснута у полюсов. Полярный радиус Земли, по новейшим данным, равен 6 356,863 км, экваториальный — 6 378,245 км, средний — 6371 км. Это означает, что окружность Земли по меридиану равна 40 008 км, а объем твердой Земли составляет 1,083*10¹² кубических километров.

Как это часто бывает в науке, полученный результат относительно формы Земли сразу же привел к выводам совсем в другой области. Земля сплюснута вдоль оси вращения — это не случайно. Ее сплюснули, вернее, растянули ее экваториальную зону центробежные силы вращения. Но одно дело, если мы будем вращать упругий шарик, и другое — если придать вращение шарику из пластичной массы. Значит, по величине сжатия у полюсов можно судить о состоянии вещества внутри Земли! Много позже, уже в XX веке точные измерения сплюснутости Земли позволили получить важные сведения о степени упругости и пластичности Земли. Мы еще вернемся к этому вопросу, когда познакомимся ближе со строением самых глубоких земных недр.

Начиная с XVII века точные градусные измерения повторялись все чаще и охватывали все большие пространства. И тут ученых ждали сюрпризы. Земля не хотела влезать в простую геометрическую схему. Речь уже не шла о том, чтобы описать единой формулой всю поверхность Земли, с горными хребтами и океанскими впадинами. Ученые взяли воображаемую поверхность, которая получилась, если бы океаны залили всю Землю, и пытались уточнить форму этого «уровня моря». Это воображаемое тело получило специальное название «геоид», то есть «тело в форме Земли». Оказалось, что геоид — очень сложное по форме тело, отличающееся от эллипсоида вращения большими вздутиями и понижениями, буграми и впадинами. Причина могла быть только одна: разные участки земных недр различаются по своей плотности и, следовательно, по массе. Неравномерное притяжение внутренних масс и создает неравномерности уровня моря на поверхности Земли. Эти неравномерности невелики, и на огромных пространствах неправильности формы измеряются всего метрами или десятками метров, но эти неправильности во весь голос говорят о самой тесной связи поверхности Земли и ее недр, о действии сложных сил внутри Земли. Так мы неизбежно приходим к необходимости изучения земных недр даже в тех случаях, когда речь идет всего лишь о составлении точных карт земной поверхности. Но прежде чем двинуться дальше, нам надо разобраться в том, какие же силы действуют в нашей Земле, или, говоря другими словами, какие физические поля определяют ее строение и развитие.