В верхних слоях земной коры температура обычно повышается на 1 градус через каждые 30–50 метров. Но в некоторых местностях, например на Камчатке и в районе Минеральных Вод на Северном Кавказе, она повышается гораздо быстрее, в других же местностях, например в западной части Донецкого бассейна, наоборот, — значительно медленней.
Пока ещё не известно, как быстро повышается температура на глубине, бóльшей 6 километров. Однако извержения огненно-жидкой лазы вулканами доказывают, что на глубине 2–3 десятков километров температура очень высока.
Вулканическая лава имеет температуру около 1000 градусов. Значит, горные породы на той глубине, откуда поднимается лава, нагреты не меньше, чем до той же температуры.
Всё это говорит как будто о том, что Земля внутри расплавлена. Так именно и считали учёные до недавнего времени. Однако теперь это мнение отвергнуто: по современным данным науки Земля — твёрдое тело.
Твёрдым телом называют такое, у которого частицы сопротивляются сдвигу относительно друг друга без изменения объёма тела. Таковы, например, металлы. Стремясь изменить форму металлического кубика, мы встречаем большое сопротивление его частиц сдвигу.
Частицы жидкого тела, например, воды или расплавленного металла, не сопротивляются сдвигу. Поэтому жидкость принимает любую форму сосуда, в который она налита.
Изменению же объёма сопротивляются и твёрдые, и жидкие, и газообразные тела.
Как теперь предполагают, температура внутри Земли нигде не превышает 2000–2500 градусов. Правда, нагретые до такой температуры на земной поверхности горные породы расплавляются. Но внутри Земли они находятся под огромным давлением, которое препятствует расширению объёма, сопровождающего плавление почти всех тел.
Поэтому, несмотря на такую высокую температуру, горные породы внутри Земли остаются твёрдыми.
Только в тех случаях, когда земная кора раскалывается, образуя глубокие трещины, на дне которых давление резко уменьшается, раскалённые твёрдые горные породы расплавляются. Образующаяся лава поднимается по трещине и изливается на поверхность.
О состоянии горных пород на больших глубинах мы не можем узнать с помощью шахт и буровых скважин, которыми можно исследовать лишь самую верхнюю часть земной коры. Лишь наблюдения над распространением сейсмических колебаний в земле позволяют судить о том, какова она внутри.
Землетрясения — не редкое явление в природе. Земная кора почти всегда находится в колебательном состоянии, хотя это можно заметить только с помощью очень чувствительных приборов.
Иногда же, когда сотрясение почвы становится более сильным или даже разрушительным, говорят, что произошло землетрясение[2].
Толчки, колеблющие почву, происходят вследствие перемещения глыб земной коры. Эти сдвиги наблюдаются главным образом в горных странах, особенно вдоль берегов Тихого океана и на полосе, простирающейся с севера на юг по середине Атлантического океана. Широкая полоса землетрясений проходит от Охотского моря вдоль южной границы СССР до его западной границы.
После сильных землетрясений наблюдаются сдвиги в земной коре вдоль образовавшихся трещин. Большей частью земная кора по одну сторону трещины опускается, образуя так называемый сброс. Но бывает, что глыбы земной коры передвигаются вдоль трещины в горизонтальном направлении.
Так было, например, во время землетрясения в 1906 году в Калифорнии (Северная Америка). Калифорния перерезана трещиной длиной около 750 километров. Во время землетрясения участки земной коры вдоль этой трещины передвинулись относительно друг друга по горизонтали до 6 метров. Это было ясно видно по дорогам и изгородям, пересекавшим трещину.
Конечно, подобные передвижения больших масс земной коры сопровождаются резкими сотрясениями.
Прямо над центром землетрясения, находящимся глубоко под землёй, чувствуется вертикальный удар снизу вверх. Но чем дальше от центра землетрясения на земной поверхности, тем более наклонно к ней выходят колебания. В первом случае толчок подбрасывает тела, во втором он валит их.
Определив угол наклона выхода колебаний землетрясения и зная расстояние до центра его на поверхности, можно вычислить глубину, на которой произошёл толчок.
Оказалось, что толчок землетрясения большей частью происходит на глубине десятков километров. Изредка наблюдаются сильные толчки и на гораздо больших глубинах, но не глубже 800–900 километров.
От толчков, производящих землетрясение, происходят упругие колебания, которые распространяются в Земле во все стороны волнами.
Эти волны дают возможность судить о состоянии вещества глубин Земли: скорость упругих колебаний зависит от плотности и от сопротивления тела сдвигу его частиц, то-есть твёрдости тела; поэтому по скорости распространения этих колебаний можно судить о свойствах среды, в которой они распространяются.
Колебания бывают двух родов.
Если ударить по натянутой струне карандашом, то частицы её сдвинутся и этот сдвиг передастся вдоль струны, причём колебания частиц струны произойдут поперек неё.
Такие — поперечные — колебания могут происходить только в твёрдой среде — металле, камне и им подобных телах, частицы которых сопротивляются сдвигу. В воде, масле и других жидкостях их не может быть, потому что сдвигаемая в сторону частица жидкости не сопротивляется и не возвращается в прежнее положение.
Но возникают и другие — продольные — колебания. Они подобны колебанию частиц воздуха при распространении звука. В этом случае частицы колеблются по направлению их распространения. Продольные колебания возникают и в жидких телах.
В начале нынешнего века русский учёный Б. Б. Голицын начал изучение колебаний, которые распространяются через глубины Земли от очень далёких землетрясений.
Нелегко заметить колебания, которые, возникнув от землетрясения, скажем на Камчатке, достигли Москвы, пройдя через глубины не менее 2000 километров.
На Камчатке, где произошло землетрясение, почва колебалась очень сильно. Но, достигнув Москвы, колебания настолько ослабевают, что смещения почвы из стороны в сторону не превышают десятых или даже сотых и тысячных долей миллиметра.
Б. Б. Голицын изобрёл и построил чувствительнейшие приборы, сейсмографы, которые отзываются и на такие ничтожные колебания почвы.
Сейсмографы Б. Б. Голицына основаны на очень простом явлении.
Представьте себе, что в подвале, куда не достигают сотрясения почвы от проходящих грузовых машин и поездов, неподвижно висит маятник.
Когда приходит колебание от далёкого землетрясения и почва сдвигается вправо, маятник по инерции остаётся в покое, а наблюдателю кажется, что маятник отклоняется влево. Когда почва затем двинется влево, будет казаться, что маятник качнулся вправо.
На конце маятника укреплено перо, которое чертит при этих кажущихся колебаниях на движущейся ленте зигзагообразную линию — сейсмограмму. По ней можно видеть, сколько раз в секунду и с каким размахом «отклонялся» маятник.
Чтобы приборы давали правильные показания, необходимо соблюдение некоторых условий. Главное из них, чтобы сам маятник не раскачивался, в противном случае он начнёт записывать собственные колебания, а не колебания почвы.
Сейсмограф — это обычно горизонтальный стержень с грузом на свободном конце. За середину он подвешен к верхней части стойки, а за один из концов прикреплён нитью к её основанию. Так стержень висит горизонтально, поддерживаемый в пространстве двумя нитями (рис. 6).
