Всем любителям непознанного настоятельно рекомендую посетить сайт pulson.ru. Там Вы найдете все самое необычное, странное и удивительное, что есть на нашей планете. К примеру, посетив этот сайт прямо сейчас, Вы узнаете, что самые необычные высоковольтные столбы имеют форму человеческих фигур и установлены в Исландии!

Свободные колебания Земли вызываются не упругими волнами, бегущими в земном шаре, а периодическими колебаниями в нашей планете. Для возбуждения таких колебаний, чей период длительности намного больше, чем собственные колебания Земли, энергии землетрясений уже не хватит. Существование периодических колебаний объясняется притяжением небесных тел.

Всем хорошо известно явление прилива в океане. Центр Земли находится на расстоянии около 400 000 км от Луны. Воды океана на стороне Земли, обращенной к Луне, расположены на 6370 км ближе к Луне и поэтому притягиваются к Луне чуть сильнее, чем центр Земли. На другой стороне Земли масса воды находится дальше от Луны и притягивается к ней слабее. Поэтому на поверхности океана, обращенной к Луне, вздувается горб воды в сторону Луны, а на обратной стороне — такой же горб, но обращенный в противоположную сторону.

Вещество Земли, конечно, не обладает такой подвижностью, как вода, но небольшие различия в притяжении Луны действуют и на него. Поэтому под действием небольших различий в притяжении Луны на ближнюю и дальнюю сторону Земли вся наша планета немного деформируется. Длина каждого вздутия равна половине окружности Земли — 20 000 км. А высота? Высота не очень велика и зависит от взаимного расположения на небе Луны и Солнца (далекое, но громадное Солнце тоже вызывает образование приливной волны). На широте Москвы, например, максимальная высота приливной волны немного меньше 50 см.

Земля вертится, делая 1 оборот в сутки, поэтому горбы приливной волны медленно перемещаются по земной поверхности. Дважды в сутки любой пункт на поверхности Земли медленно, незаметно для нас поднимается на высоту в десятки сантиметров и так же медленно опускается. Период этого колебания равен примерно 12 часам.

Как же заметить такие медленные движения? Оказывается, это можно сделать, по крайней мере, тремя способами. Очень точный гравиметр, установленный на поверхности Земли, заметит, что пункт его установки при прохождении приливной волны поднимается, отчего немного (на несколько десятимиллионных долей) уменьшается ускорение силы тяжести. Чувствительный наклономер отзовется на прохождение не вершины приливной волны, а ее очень пологого склона. Наконец, кварцевый стрейн-сейсмограф (прибор, служащий для записи напряжений в земной коре), установленный в глубокой штольне, заметит ничтожную деформацию слоев горных пород при прохождении волны.

Что же может дать изучение земных приливов? Мы уже говорили о том, что вещество Земли не так подвижно, как жидкость. Силы тяготения стремятся удержать горб приливной волны на линии, соединяющей центры Земли и Луны, а вращение Земли все время уносит его вбок. Земля не успевает мгновенно деформироваться, й тогда силы тяготения, действуя на слегка смещенный вперед (по ходу вращения) горб, тормозят вращение Земли (рис. 1). Велико ли это торможение? Судите сами: сутки увеличиваются на две тысячные доли секунды каждые 100 лет, и за несколько миллиардов лет существования Земли время одного ее оборота вокруг оси могло увеличиться в три — четыре раза. А вот на менее массивную Луну тормозящее влияние Земли оказало гораздо большее действие: Луна, прежде вращавшаяся вокруг своей оси, теперь навсегда осталась слегка деформированной и обращенной к Земле одной своей стороной.

Рис. 1. Схема образования приливных волн под действием притяжения Луны и их тормозящего действия

Это далеко не единственный результат. Величину приливной волны и время ее запаздывания за счет вращения Земли можно рассчитать теоретически, используя приближенные данные об упругости и вязкости вещества, слагающего Землю. Сравнение расчета с наблюдениями позволит теперь уточнить характеристики упругости и вязкости Земли.

А самые верхние слои Земли? Как отзываются они на прохождение приливной волны? Наблюдения последних лет, в особенности в период МГГ, показали, что земная кора—это вовсе не цельная упругая оболочка, охватывающая Землю.

Представьте себе асфальт, вздувшийся от действия талых вод. Каждый кусок треснувшего асфальта на поверхности этого горба наклонен немного по-своему. Так и земная кора: большие ее участки, как говорят, блоки, отзываются по-разному на прохождение наклонов коры во многих точках, затем удается сопоставить эти наблюдения с геологическими данными.

Мы рассмотрели основные типы колебаний, распространяющихся в Земле. Все они сведены в табл. 1. Ее
графы заполнены цифрами, характеризующими возможности различных методов изучения строения Земли. Все ли методы были рассмотрены нами? Нет, за пределами этой книги остаются такие, по существу уже астрономические методы, как изучение особенностей вращения Земли, и некоторые другие. В конце книги, в списке рекомендуемой литературы, читатель сможет найти ряд научно-популярных книг, разбирающих эти вопросы. Нам же предстоит перейти от описания строения Земли к тем процессам, которые непрерывно идут во всей ее толще. Но прежде несколько страниц придется посвятить далекому прошлому и возможному будущему нашей планеты.

Таблица 1

СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ

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.

Хотите привнести в свою скучную и размеренную семейную жизнь немного остроты, тогда обязательно посетите форум свингеров, пользователи которого выступают за честные, открытые, а главное раскрепощенные от устаревших моральных устоев отношения!

Существует мощный регулятор уровня воды в океане— ледяной купол Антарктиды. Подсчитано, что, если бы он растаял, уровень океана поднялся против нынешнего примерно на 60—70 м и под водой оказались и долина Амазонки, и громадные пространства континентального Китая, и большие территории на северо-западе Европы, и долина Миссисипи… Наоборот, в годы максимального развития последнего оледенения, десятки тысяч лет назад, уровень океана, вероятно, был на 100—150 м ниже нынешнего и гораздо ближе подходил к истинной границе континентов и океанов. Еще и сейчас древние долины рек хорошо прослеживаются в северо-восточной части Атлантического океана, и до сих пор по крутому склону Бискайского залива стекает необычным подводным водопадом придонное течение, текущее там, где некогда текла река, имевшая своими притоками и Сену, и Луару, и Темзу.

Подлинная граница континентов и океанов связана не с береговой линией, а с глубокими различиями в строении земной коры континентов и океанов. И граница континентального шельфа отвечает именно этим различиям строения земных недр. Об этом не мешало бы помнить некоторым поклонникам теории перемещения континентов, видящим доказательство своих взглядов в совпадении рисунка береговой линии, скажем, Африки и Южной Америки. В их попытках реставрации прошлого Земли уж во всяком случае следовало бы оконтуривать континенты вместе с пространствами шельфа.

Существенным различиям рельефа земной поверхности отвечают еще более существенные различия в структуре земной коры. Но прежде чем перейти к описанию основных типов земной коры, надо обязательно упомянуть еще об одном геофизическом методе, который наряду с глубинным сейсмическим зондированием дал ценные сведения о верхних слоях земного шара. Речь идет о гравиметрической съемке.

Читатель помнит, что скорость упругих волн в теле Земли зависит от их плотности и упругих свойств. Зная по данным ГСЗ скорости волн, мы еще не можем определить отдельно — значения упругих постоянных и отдельно — плотности вещества земной коры. Правда, упругие постоянные можно определить лабораторным путем, но если бы мы знали, какую породу положить под лабораторный пресс! Ведь о составе коры на глубине в десятки километров мы можем только догадываться. Но вот — гравиметрическая съемка.

Типичный гравиметр

Один из тончайших, наиболее чувствительных приборов— современный гравиметр. Спустившись с верхнего этажа тридцатиэтажного дома, вы, читатель, окажетесь ближе к притягивающему вас центру Земли, но смешно и подумать о том, что вы заметите эту дополнительную тяжесть. А современный гравиметр почувствует, если в том же здании вы произведете измерение на площадке лестницы, а потом переставите прибор ступенькой выше. Маленький кварцевый цилиндрик, сваренный с тончайшей кварцевой нитью, но не по оси, а чуть эксцентрично, своей тяжестью закручивает эту нить. И стоит силе притяжения уменьшиться на одну стомиллионную долю, как угол закручивания станет чуть меньше, и это заметит наблюдатель.

Не удивительно, что подобные чуткие гравиметры сразу же отзываются на различия в строении земных недр. И если на уровне моря кривая силы тяжести по мере удаления от берега сначала резко убывает, а потом растет, это может означать только одно: сначала увеличилась мощность верхних, более легких пород, слагающих земную кору, а более тяжелые породы, подстилающие кору, ушли вглубь; затем мощность коры падает, тяжелые глубинные массы оказываются ближе к поверхности, и сила тяжести растет. Вот так, используя совместно данные глубинного сейсмического зондирования и гравиметрической съемки, удается определить не только глубину границ раздела в земной коре, но и плотность, и упругие свойства слагающих ее слоев.

На континентах земная кора довольно толста: ее мощность колеблется от 30 до 50—60 км. На океанах она много тоньше — всего от 5 до 15 км. Но разность высот между высочайшей точкой континентов и глубочайшей впадиной океанов не превышает 20 км. Еще меньше разница между средней высотой континентов и средней глубиной океанов — она составляет всего 5— 6 км. Это означает, что граница Мохоровичича под континентами лежит гораздо глубже, чем под океанами. Напрашивается сравнение континентов с толстыми слоями шельфовых ледников, горных систем — с айсбергами, океанов — с обычными ледяными полями. Такое сравнение легло в основу представлений о земной коре, плавающей в подстилающей ее верхней мантии. Действительно, по закону Архимеда более толстый слой сравнительно легкого вещества земной коры должен быть более глубоко погружен в подстилающий слой. Это означает, что сила тяжести играет существенную роль в поведении земной коры. Применение закона Архимеда к строению земной коры получило название принципа изостазии.

Но в природе редко бывает так, что простые аналогии оказываются отражением глубокого физического сходства. Действительно, спокойные участки земной коры за десятки миллионов лет смогли принять положение, соответствующее принципу изостазии. Но там, где в земной коре идут активные процессы, в областях быстрых поднятий или опусканий, принцип изостазии нарушается, и гравиметрические наблюдения показывают, что в некоторых местах кора толстая, а сила тяжести велика и, следовательно, слои тяжелой мантии подняты «выше нормы». В других местах наблюдается обратное явление. Следовательно, ни о каком «плавании» речи быть не может, и мантия — это вовсе не разжиженная среда, в которой легко могут двигаться глыбы континентов.

Рис. 4. Схема строения земной коры на континентах (а), в переходной зоне и на океанах (б). Цифры в слоях — скорости продольных волн в км/сек

Не менее жестоко обошлись последние исследования с традиционным представлением о трехслойной земной коре (осадки, гранитный слой, базальтовый слой). Так называемая граница Конрада в большинстве случаев оказалась мнимой — волны, как будто бы говорившие о ее существовании, как оказалось, имеют другое происхождение. Число же основных слоев в земной коре меняется от двух до четырех.

На континентах в областях платформ и древних щитов под слоем осадочных пород чаще всего встречаются три слоя. Самый верхний из них, судя по скоростям сейсмических волн (около 60 км/сек), можно считать сложенным породами типа гранита. Более глубокие слои сложены более плотными и твердыми породами. Об их составе пока мы можем лишь строить догадки, хотя верхний из них тоже может оказаться гранитным. Окончательный ответ даст лишь сверхглубокое бурение.

Под горными районами в коре, не считая осадочных пород, — два слоя. Здесь нижний слой под горными хребтами вздувается, образуя «корни гор». По мере приближения к океану толщина коры уменьшается, верхний слой, как говорят, выклинивается, и здесь под мелководным прибрежным морем часто ниже очень толстого слоя осадочных пород прямо лежит слой плотных «базальтовых» пород. В океане толстый слой осадочных пород исчезает, а «базальтовый» слой становится совсем тонким, толщиной от 5 до 10 км.

Вы видите, что земная кора устроена совсем не просто. И самое интересное здесь то, что эта сложность не кончается сразу под границей Мохо. На разрезах видно, что колебания рельефа этой границы значительно превосходят колебания рельефа земной поверхности. И скорости упругих волн под границей Мохо, в самой верхней части мантии, совсем не постоянны: в некоторых местах (например, под островной Курильской дугой и Средне-Атлантическим хребтом) вещество коры и мантии как бы смешано, здесь процесс разделения коры и мантии еще не дошел до конца. Да и в других местах скорости сразу под границей Мохо неодинаковы — они меняются от 7,8 до 8,3 км/сек, а мы уже знаем, что это означает различие в составе и упругих свойствах подкорового вещества.

Для того чтобы окончательно понять, как устроена, как развивается земная кора под непрерывным воздействием мантии, нам так не хватает сведений о том, какими же горными породами сложены ее слои и самые верхние слои мантии. Ведь достаточно пробурить кору в немногих точках: сопоставив сейсмические и гравиметрические данные о скорости упругих волн и плотности пород на разных глубинах с реальными, вынутыми с этих глубин столбиками вещества, мы сможем по длинным геофизическим профилям распространить полученные сведения на огромные пространства. Недаром советский проект сверхглубокого бурения в свое время предусматривает бурение сквозь верхнюю часть древнего щита (в Карелии), сквозь мощную осадочную толщу (Каспийское море), сквозь складчатые структуры горного хребта (Урал) и, наконец, сквозь всю земную кору на границе с океаном (Курильские острова). Американский же проект «Мохол» (именно таково его правильное название, от слов Мохо и «hole» — по-английски нора) должен решить исключительно трудную задачу— пробурить земную кору в океане, в области наименьшей ее толщины. И если все советские скважины предполагается бурить на суше, то ученые США, убедившись в трудности бурения с плавучей платформы, хотят подвесить буровую установку под водой, поддерживая ее двумя мощными подводными лодками на такой глубине, где ее не раскачает никакой шторм.

Осуществление этих замечательных проектов дало нам твердые знания о самом близком к нам и наиболее сложно построенном слое Земли, имя которому — земная кора.

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.