Строение земного шара

4. Строение Земли

Мы подходим к проблеме строения земного шара. И сразу же возникает вопрос: каким же методом, каким образом можно получить хотя бы какие-нибудь сведения о строении далеких глубин нашей планеты?

К счастью, положение оказывается совсем не безнадежным. Геофизика дает в наши руки даже не один, а несколько методов; они дополняют, поправляют друг друга, и в результате получаются довольно достоверные сведения о строении земного шара и состоянии вещества на больших глубинах.

Прежде всего, конечно, метод сейсмический.

Представим себе, что где-то произошло сильное землетрясение. Очаг землетрясения, т. е. тот участок в толще Земли, в котором возникло землетрясение, располагается обычно на глубине нескольких десятков километров ниже поверхности Земли. Отсюда во все стороны разбегаются упругие волны, которые, дойдя до поверхности, и производят эффект землетрясения. Непосредственно над очагом эти упругие волны выражаются в сильных, резких, коротких ударах; вдали от очага они дают впечатление продолжительных волнообразных колебаний.

Прежде всего отметим, что сейсмические волны, возникшие в очаге землетрясения, расходятся по толще Земли самыми различными путями, и есть возможность с помощью приборов (сейсмографов, которые записывают колебания почвы) проследить за этими путями, выяснить, где, на какой глубине и с какой скоростью проходят волны, и тем самым судить не только о строении глубин, но и о свойствах вещества, залегающего на пути прохождения волн. Кроме того, различается несколько видов таких волн, причем волны различных типов движутся с различными скоростями; это опять дает в руки геофизикам ключ, с помощью которого можно открыть не только местонахождение очага землетрясения, но и свойства вещества на больших глубинах.

Быстрее всех распространяются так называемые продольные волны. Они обозначаются буквой Р. Скорость их колеблется, в зависимости от свойств горных пород, по которым они проходят, от 5 до 13 километров в секунду. В физическом смысле эти волны представляют собой волны сжатия и разрежения. Это значит, что они выражаются в таком движении частиц Земли (вокруг некоторого положения равновесия), в результате которого последние то сближаются друг с другом, то расходятся, т. е. вещество то сжимается, то растягивается. При этом частицы колеблются вдоль «сейсмического луча», т. е. в направлении движения волн, идущих от очага во все стороны. Подобный процесс можно представить себе как реакцию среды на изменение объема.

Примером продольных волн являются звуковые волны, которые в воздухе распространяются со скоростью около 330 метров в секунду, в воде — около 1,5 километра в секунду, а в твердых горных породах, распространенных на Земле — до 5–7 километров в секунду (собственно землетрясение).

Другой класс волн именуется волнами поперечными. Они выражаются в том, что частицы Земли испытывают колебания в направлении, поперечном к направлению движения фронта волны. Эти волны обозначаются значком S и скорость их меньше продольных приблизительно в 1,7 раза. Поперечные волны можно представить себе, как реакцию среды на изменение формы. Жидкости не сопротивляются изменению их формы, и потому поперечные волны через них не проходят, погашаясь в толще жидкой среды на первых же своих «шагах».

Наконец, выделяется еще третий тип волн — поверхностных, которые возникают у свободной поверхности Земли и быстро гаснут с глубиной. В известной степени они напоминают собой те волны, которые возбуждаются на поверхности воды брошенным в воду камнем. Эти волны распространяются медленнее других, и амплитуда их по мере удаления от места возникновения (над очагом) быстро падает; однако при сильных землетрясениях они, так же как и волны других типов, могут причинять серьезные повреждения постройкам.

Представьте себе теперь такую схему (рис. 4). Пусть в точке О находится очаг землетрясения; он лежит в слое горных пород, по которым волны Р (продольные) распространяются со скоростью v₁. Под этим слоем залегает другой, в котором скорость упругих колебаний равна v₂, причем v₂ больше, чем v₁.

В точку T₁, где, допустим, установлен первый сейсмограф, сначала придут волны Р₁, следовавшие по прямому пути ОТ₁, а затем волны Р₂, которые шли по сложному пути ОАВТ₁ с тем, что часть пути, именно АВ, они шли по нижнему слою, т. е. с большой скоростью (v₂). Дальше от очага можно найти такой пункт Т₂, в который и те и другие волны придут одновременно; путь ОТ₂ короче, но зато на пути ОАСТ₂ волны долгое время шли с большой скоростью (со скоростью v₂ на пути АС). И, наконец, в точку Т₃ сначала придут уже те волны Р₂, которые шли по нижнему слою, по пути OADT₃, а затем уже Р₁, которые шли прямо, по пути ОT₃; он короче, но скорость волн P₁ здесь невелика (v₁).

Рис. 4. Пути сейсмических волн, идущих от очага О к точкам T₁, T₂, T₃, в которых установлены сейсмографы. В верхней части рисунка изображены упрощенные сейсмограммы, т. е. отметки, полученные на приборах, о приходе волн Р.

Вот, собственно, и все. Если во всех трех пунктах Т₁ Т₂ и T₃ находятся сейсмографы, которые записали приведшие к ним колебания, то в нашем распоряжении окажутся три ленты с записью колебаний, три сейсмограммы, подобные изображенным на рис. 4; остается лишь внимательно изучить их, выяснить, когда пришли к сейсмографам те или иные волны, и отсюда, путем не слишком сложных вычислений, определить глубину залегания нижнего слоя.

Конечно, в действительности картина гораздо сложнее. В Земле не два слоя, а бесконечное множество их. Слои горизонтальны лишь в редких случаях, чаще они измяты и наклонены. Наконец, от очага распространяются волны не только продольные, но, как мы видели, и поперечные, а на поверхности к ним присоединяются еще и поверхностные. Все это приводит к тому, что сейсмограмма оказывается очень сложной (рис. 5).

Рис. 5. Сейсмограмма, т. е. запись землетрясения, полученная с помощью сейсмографа.

Тем не менее, в ней все же можно разобраться; при сильных землетрясениях, колебания от которых обходят весь земной шар и пронизывают его центр, с помощью сейсмического луча можно как бы прощупать всю Землю и обнаружить те слои или оболочки, из которых она состоит. При этом в качестве источника упругих колебаний можно использовать не только естественные землетрясения, но и искусственные взрывы.

Не рассматривая других методов исследования, перейдем к рассмотрению результатов.

Выше всех залегает, как правило, слой осадочных пород. Осадочные породы чрезвычайно разнообразны, их состав меняется от места к месту, мощность также, а пласты, состоящие из осадочных пород, подчас сильно измяты, наклонены и разорваны. Все же можно говорить о наличии осадочной