За необходимость почитаю описать кратко… самый верхний слой, как покрышку всех протчих, то есть самую земную поверхность. Ибо она есть часть нижних и по смежеству много от них заимствует, уделяя им и от себя взаимно… Рассматривая оную, первое дело должно взять в рассуждение земную фигуру, второе — внутренние свойства и качества.

М. В. Ломоносов

 

Принцип изостазии

Как уже говорилось, обычный маятник и, конечно, более сложные гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков земных недр. Неоднородности земной коры тотчас же отражаются на измеряемой силе тяжести, и это позволяет вести, в частности, гравиметрическую разведку полезных ископаемых.

В результате гравиметрической разведки получают сведения нс только о самых верхних частях земной коры, но подчас о строении Земли на значительных глубинах (до 1000 км) в пределах обширных районов (регионов). Гравиметрическая разведка основана на отклонениях от средней нормы (аномалиях) силы тяжести. Между тем во всеземном, глобальном масштабе отклонения силы тяжести от нормы имеют некоторую закономерность, связанную, несомненно, со строением глубокозалегающих слоев Земли. Аномалия силы тяжести считается положительной, если эта сила (точнее, вызываемое ею ускорение) превышает среднюю норму, и отрицательной — в противоположном случае.

Почти во всех точках поверхности Земли измерялось (и, как правило, многократно) ускорение свободною падения. Еще в 1932 г. в Советском Союзе началась общая гравиметрическая съемка, при которой среднее расстояние между гравиметрическими пунктами составляло примерно 30 км. Ныне сеть гравиметрических пунктов на значительной части территории СССР и других стран давно уже намного гуще, чем один пункт на 1000 км2.

Ускорение свободного падения измерено повсюду — и на материках, и на океанах. Получены результаты, которые заранее предугадать было невозможно, так как они противоречили пресловутому здравому смыслу. Оказалось, что на одной и той же широте ускорение свободного падения в среднем почти одинаково и на океанах, и на материках, хотя, судя по различным данным, толщина континентальной земной коры (в среднем 35–40 км) значительно больше толщины океанической коры (около 5 км). Даже такие мощные горные хребты, как Гималаи, вызывали гораздо меньшее притяжение к себе отвеса, чем можно было бы ожидать.

Так как средняя плотность земной коры примерно в 2,5 раза выше плотности воды, то естественно было предположить, что дно океанов состоит из гораздо более плотного вещества, чем материки, и этим самым компенсируется малая плотность океанических вод. Сторонники этой точки зрения, впервые высказанной еще в прошлом веке, считают, что где-то на глубине около 100 км существует особая уровенная поверхность, давление на которую со стороны вышележащих слоев (и под материками, и под океанами) одинаково. Ее назвали изостатической поверхностью (рис. 14), что, собственно, и означает «поверхность одинакового давления», а само предположение о ее существовании получило в геодезии наименование гипотезы изостазии.

Рис. 14. Изостатическая поверхность.

О том, что ускорение свободного падения повсюду на Земле примерно одинаково, свидетельствует форма геоида и его почти совершенно гладкая поверхность. Если бы сравнительно высокая плотность материковых масс ничем не компенсировалась в районе океанов, то, во-первых, геоид имел бы гораздо более неровную, чем на самом деле, поверхность и, во-вторых, неровности соответствовали бы распределению океанов и материков. Значит, действительно внутри Земли действует какой-то компенсационный механизм, создающий наблюдаемую картину.

Ученые прошлого века Пратт и Эри представляли себе компенсационный механизм по-разному. Пратт (1854 г.) полагал, что возвышенные части земной коры оказались приподнятыми благодаря своей малой плотности. Иначе говоря, здесь имеет место явление, хорошо нам знакомое из житейской практики: чем больше нагрузить лодку, тем глубже она осядет в воду. Эри (1855 г.) представлял себе механизм компенсации несколько иначе. Отдельные части земной коры он уподоблял исполинским чурбакам одинаковой плотности, плавающим в воде. Чурбак, выступающий из воды больше, чем остальные, должен быть погружен на наибольшую глубину. Кто же оказался прав — Эри или Пратт?

Хейсканен и другие ученые, подробно изучив этот вопрос (1958 г.), пришли к выводу, что изостатическое равновесие земной коры в среднем на 63 % осуществляется «по Эри» и на 37 % — «по Пратту». И в том и в другом вариантах предполагается, что на некоторой глубине вещество Земли перестает быть твердым и приобретает свойства очень густой, вязкой жидкости. Примечательно, что этот вывод о природе глубоких слоев Земли сделан без прямого глубинного зондирования, на основании измерений силы тяжести на поверхности. Что касается больших глубин, то сведения о них были получены главным образом при изучении землетрясений.

 

Об упругости и волнах

Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.

Если тело после снятия внешней нагрузки принимает первоначальную форму, его называют упругим. В этом случае говорят об упругой деформации тела. Если же внешние силы необратимо меняют форму тела, то его деформация будет неупругой.

Примером безусловно упругого тела является резина — недаром ее используют в различных амортизаторах. Такими же упругими свойствами обладают струна гитары, стальная пружина и ряд других твердых тел. Кусок мягкой глины или замазки может, наоборот, служить типичным примером неупругого тела.

Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не пришли в колебательное движение. Если фронт волны есть плоскость, волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, волна называется сферической.

Различают волны двух типов — продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна — это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.

После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений — тектонические, порожденные резким смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом.

В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр — область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50—100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине — до 800 км!

В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводящем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям.

Еще менее грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.

Каждый очаг землетрясения — это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит первые), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда» — вторые). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.

Беда в том, что ни одно ухо не воспринимает это «звучание» Земли, так как все сейсмические колебания рождают инфразвуки. Тем не менее землетрясения позволяют узнать нечто удивительное— строение земных недр, совершенно недоступных иным средствам исследования.

Тот факт, что внутри Земли на больших глубинах распространяются упругие волны, свидетельствует о том, что большая часть земного шара находится в твердом состоянии.

 

Когда содрогается Земля

Наши «академические» рассуждения о физическом механизме землетрясений не дали, конечно, читателю возможности составить представление о тех катастрофических последствиях, которые иногда вызывают содрогания Земли. Между тем за последние 100 лет при землетрясениях погибло свыше миллиона человек, причем только при одном токийском землетрясении в 1923 г. людские потери составили 140000.

Разумеется, не все землетрясения катастрофичны. Ежегодно на земном шаре происходят до 100 000 землетрясений. Однако чаще всего они настолько слабы, что их удается зафиксировать лишь с помощью специальных высокоточных приборов — сейсмографов (рис. 15).

Рис. 15. Схема сейсмографа.

Сейсмограф состоит из пружины и подвешенного груза с укрепленным на нем пишущим устройством. Если Земля не сотрясается, на бумаге вращающегося барабана получается ровная линия. Любое, даже слабое землетрясение приводит груз на пружине в колебательное движение, и сейсмограмма (запись на барабане) становится волнистой, неровной. Чем мощнее землетрясение, тем сильнее раскачивается груз, тем больше амплитуда сейсмических колебаний на сейсмограмме. Применяются сейсмографы с магнитной записью и цифровой регистрацией колебаний. Сейсмограммы обрабатываются и анализируются с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Сначала сейсмограф фиксирует продольные волны — Р-волны. Через несколько секунд на сейсмограмме появляется запись поперечных волн — S-волн. По амплитуде они больше P-волн, но так же, как и те, быстро затухают. Наконец, последними приходят L-волны (от латинского «лонга» — длинные), т. е. поверхностные волны, вызывающие большие разрушения. По сейсмограмме специалист может узнать расстояние до эпицентра, мощность и другие параметры землетрясения.

В 1964 г. установлена международная сейсмическая 12-балльная шкала интенсивности землетрясений, включающая все мыслимые сотрясения Земли — от неощутимых, регистрируемых только сейсмографами (1 балл), до катастрофических, 12-балльных, вызывающих радикальные изменения рельефа (горные обвалы, изменения русел рек, образование огромных трещин в почве).

Во время слабых землетрясений из недр Земли высвобождается сравнительно небольшая энергия (103 Дж). Зато энергия, выделяемая при катастрофических сотрясениях Земли (до 1019 Дж), равноценна одновременному взрыву сотен водородных мегатонных бомб! Недаром землетрясения считаются самыми грозными из всех природных явлений, с которыми сталкивается человек. Историки донесли до нас страшные картины древних катастроф. Землетрясение 526 г. на европейском побережье Средиземного моря превратило в груды развалин многие города и уничтожило 200 000 человек. В 1556 г. в китайской провинции Шанси во время мощнейшего землетрясения погибло 830 000 человек. Не исключено, что древние предания о гибели Тира и Сидона, Содома и Гоморры отражают реальные события, связанные с сотрясениями Земли.

Когда землетрясение происходит под толщиной моря или океана, его называют моретрясением. Если оно достаточно сильно, на водной поверхности возникают грозные волны, названные японцами цунами. Они являются порождением ударных сейсмических волн, охватывающих всю толщу воды. Обрушиваясь на берега, цунами производят опустошительные разрушения. Обычно высота цунами не превышает 1 м, но при сильных моретрясениях достигает 30 м и более! За последние 2500 лет в Тихом океане зарегистрировано 308 цунами.

В воскресный день 1 ноября 1755 г. многие жители Лиссабона отправились на богослужение, другие остались дома, готовясь к праздничной трапезе. Неожиданно заколебалась почва, послышались громкие раскаты, и город на глазах обезумевших от ужаса людей начал разрушаться. Люди гибли под обломками рухнувших зданий, в огне пожаров. Некоторые бросились к пристани, чтобы спастись на кораблях, но на глазах у них причал дрогнул и погрузился в морскую бездну. На море возникла цунами высотой 27 м, которая хлынула на берег, углубилась на 15 км и в течение нескольких минут стерла Лиссабон с лица Земли.

Не подумайте, что все это «дела давно минувших дней», а теперь ничего подобного не бывает. По данным статистики, ежегодно бывает одно катастрофическое землетрясение (более. 8 баллов) и около десяти разрушительных (от 7 до 8 баллов). Приведем несколько примеров. Ашхабадское 8-балльное землетрясение 1948 г. было связано с движением огромных блоков горных пород в районе Копетдага. При этом были разрушены почти все дома, не имеющие антисейсмических конструкций. В мае 1960 г. вдоль побережья Чили на протяжении 600 км были разрушены многие города и деревни. Участок берега длиной 200 км опустился на 2 м, а города Анкуд и Маулин частично погрузились под воду. В годах образовались трещины длиной в сотни метров при ширине около полуметра и тысячи обвалов. Возникшие при моретрясении цунами высотой около 30 м начисто смыли города Куеле и Корраль, а также вызвали большие разрушения на Гавайских островах и на побережье Японии. Разрушительным было и Ташкентское 8-балльное землетрясение 1966 г. Наконец, в 1970 г. в предгорной части Главного Кавказского хребта произошло одно из сильнейших за последние годы Махачкалинское землетрясение, при котором образовались трещины шириной в несколько метров.

Земля продолжает содрогаться, иногда грозно вторгаясь в жизнь своих обитателей. Но как это ни парадоксально, от землетрясений есть и польза: без них мы вряд ли узнали бы внутреннее строение Земли.

 

Сейсмическая модель планеты

Если бы Земля была однородной, сейсмические волны распространялись бы внутри нее по прямой. Иначе говоря, сейсмические лучи были бы прямолинейны, а скорость их — одинаковой. Изменения скорости и направления сейсмических лучей внутри Земли указывают на неоднородность земных недр.

Факт существования поверхностных поперечных волн свидетельствует о том, что в верхней части Земли имеется по крайней мере один слой (земная кора), отличающийся по плотности от нижележащих слоев. Детальное исследование поверхностных волн показало, что есть две разновидности, два типа земной коры. Первый тип — континентальный характеризуется большой толщиной верхнего слоя и малыми скоростями распространения поверхностных волн. Второй тип — океанический отличается от первого меньшей толщиной и соответственно большей скоростью распространения тех же волн.

В начале текущего века удалось доказать, что, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. На этом основании был сделан вывод, что Земля имеет ядро, находящееся в расплавленном состоянии. Позже многолетние исследования сейсмических волн в конце концов позволили представить себе достаточно четко (хотя и не полно) строение недр нашей планеты. Рисунок 16 напоминает своеобразную рентгенограмму Земли, причем роль рентгеновских лучей в данном случае выполняют сейсмические волны.

Рис. 16. Разрез земного шара (по А. П. Виноградову). А — земная кора, В, С, D — верхняя, средняя и нижняя мантии, Е, F — внешнее и внутреннее ядра.

Прежде всего бросается в глаза слоистость Земли — расслоение ее недр на ряд сферических оболочек, различных и по физическим и по химическим свойствам.

Самый верхний, поверхностный слой — земная кора состоит из осадочных и кристаллических пород. Из химических элементов здесь преобладают кислород, кремний, алюминий, хотя горные породы включают все элементы таблицы Менделеева. Толщина континентальной земной коры 37–47 км, океанической 7—10 км. По сейсмическим данным, в континентальной коре можно выделить три слоя — осадочный, «гранитный» и «базальтовый». Названия эти несколько условны, так как состав слоев определен не прямым химическим путем, а по сейсмическим волнам. Океаническая кора двуслойна, она состоит из осадочного и «базальтового» слоев. И на материках, и на континентах кора разделена глубокими трещинами на исполинские плиты или блоки.

Под земной корой находится мантия — подкорковая оболочка Земли. Она простирается до глубины 1900 км и разделяется на верхнюю и нижнюю мантию (последняя начинается с глубины 1000 км). Поверхность раздела между мантией и земной корой получила наименование поверхности Мохоровичича (по имени исследовавшего ее югославского ученого). Средняя глубина залегания зоны Мохоровичича — около 33 км. Как и земная кора, мантия в целом находится в твердом состоянии. Лишь в отдельных лавовых «карманах» вещество мантии расплавлено до состояния магмы. Из этих «карманов» магма через жерла вулканов извергается на поверхность Земли.

Известно, что при спуске в шахты температура на каждый километр повышается примерно на 20 °C. Если бы такой прирост температуры продолжался до центра Земли, температура там превысила бы 100 000 °C. На самом деле она, по-видимому, в десять раз ниже, мантия в целом тверда, значит, источники тепла сосредоточены скорее всего в коре, и этими источниками являются распадающиеся радиоактивные вещества.

Верхняя мантия состоит из перидотита, ультраосновной породы, бедной кремнием, но богатой магнием и железом, а мантия в целом — из окислов магния, железа и кремния. Плотность мантии увеличивается с глубиной от 3,3 до 5,2 грамма на кубический сантиметр (г/см3). Соответственно повышается и температура мантии — от 500 °C на граничном слое Мохоровичича до 3800 °C в самых глубоких ее слоях. По некоторым предположениям около 20 % пород верхней мантии находится в жидком состоянии.

В последнее время область перехода земной коры в мантию стала именоваться тектоносферой. По-видимому, здесь из пород мантии «выплавляются» базальты нижнего слоя земной коры. Одновременно из вещества мантии выделяются газы и пары, пробивающие себе путь в атмосферу.

В верхней мантии на глубине 60—100 км есть слой пониженной плотности, где скорость распространения сейсмических волн понижается с 8,1 до 7,8 километра в секунду (км/с). Этот слой, играющий роль волновода, был назван астеносферой. Под океанами астеносфера простирается до глубины 400 км, под материками — до 250 км.

Центральная часть Земли, лежащая под мантией, называется ядром. На границе ядра плотность резко возрастает до 9,4 г/см3, а давление — до 0,13 млн. МПа. Физическая природа земного ядра не вполне ясна. Старая гипотеза о расплавленном железном ядре с различными современными ее вариантами до сих пор находит себе сторонников. Однако сейчас более популярна гипотеза силикатного ядра, предполагающая, что состав ядра сходен с составом мантии. В любом случае физическое состояние земного ядра необычно. В его центре давление достигает 360 000 МПа, и этому давлению соответствует температура 5000 °C. В такой физической обстановке вещество переходит в так называемую металлическую фазу — электронные оболочки разрушаются и образуется плотная плазма, насыщенная свободными электронами. Их кольцевые вихри, по-видимому, н порождают магнитное поле Земли.

Различают внешнее и внутреннее ядра. Граница между ними проходит на глубине около 5000 км. Внешнее ядро жидкое, расплавленное, плотность его около 10 г/см3. Плотность внутреннего твердого ядра достигает почти 14,5 г/см3.

«Вернувшись» из мрачных недр земного шара на его поверхность, мы встречаем еще одну его оболочку — гидросферу. Эта жидкая оболочка нашей планеты занимает 17 % ее поверхности. Мировой океан делит сушу на шесть крупных массивов (материков или континентов) и на множество островов, составляющих в общем 2 % земной поверхности. Средняя глубина Мирового океана —3790 м, наибольшая — 11 022 м. Вдаваясь в сушу, Мировой океан образует моря и заливы.

Примечательно и не случайно, что все материки (исключая Антарктиду) сужаются к югу. Северное полушарие Земли в основном материковое, Южное — океаническое. Есть и другие закономерности во внешнем облике Земли, объясняющиеся, как будет показано ниже, ее планетарной биографией. В гидросферу Земли входят также реки, озера и прочие водоемы. Испаряясь, вода гидросферы пополняет атмосферу — внешнюю газовую оболочку Земли. Смесь газов оболочки именуется воздухом. Состав воздуха нам хорошо знаком с детских лет (78 % общего объема атмосферы приходится на азот, 21 % — на кислород, около 1 % —на аргон, 0,03 % — на углекислый газ, остальное — разные примеси).

Хотя сейсмические волны не затрагивают атмосферу, связь ее с недрами Земли очевидна. Собственно, атмосфера Земли есть порождение ее недр. Она образована газами, выделившимися из твердого в целом тела Земли. Атмосфера частично рассеивается в мировое пространство, но на смену покинувшим Землю газам из земных недр приходят новые, особенно обильные во время вулканических извержений. Все оболочки Земли, и внешние и внутренние, не изолированы друг от друга, а находятся в постоянном, непрерывном взаимодействии.

 

Можно ли предсказать землетрясение?

На вопрос, где может произойти землетрясение, ответить сравнительно просто. Давно существуют сейсмические карты, на которых отмечены сейсмически активные зоны земного шара (рис. 17). Это те участки земной коры, где тектонические движения возникают особенно часто.

Следует заметить, что эпицентры землетрясений локализованы в очень узких зонах, определяющих, по мнению ряда ученых, взаимодействующие края литосферных плит. Различают три главных сейсмических пояса — Тихоокеанский, Средиземноморский и Атлантический. В первом из них совершается около 68 % всех землетрясений. Он включает Тихоокеанское побережье Америки и Азии и через систему островов доходит до берегов Австралии и Новой Зеландии. Средиземноморский пояс тянется в широтном направлении — от островов Зеленого Мыса через побережье Средиземного моря, юг Советского Союза до Центрального Китая, Гималаев и Индонезии. Наконец, Атлантический пояс проходит вдоль всего подводного Срединно-Атлантического хребта от острова Шпицберген и Исландии до острова Буве.

Рис. 17. Схема размещения сейсмически активных зон земного шара. 1, 2, 3 — неглубокие, промежуточные и глубокие точки соответственно.

На территории Советского Союза около 3 млн. квадратных километров заняты сейсмически опасными районами, где возможны землетрясения в 7 баллов и более. Это некоторые районы Средней Азии, Прибайкалья, Камчатско-Курильской гряды. Сейсмически активна южная часть Крыма, где еще не забыли 8-балльного Ялтинского землетрясения 1927 г. Не менее активны районы Армении, где в 1968 г. также произошло сильное 8-балльное землетрясение.

Во всех сейсмически активных зонах землетрясения возможны, в других местах они маловероятны, хотя и не исключены: некоторые москвичи, возможно, помнят, как в нашей столице в ноябре 1940 г. произошло 3-балльное землетрясение.

Предвидеть, где произойдет землетрясение сравнительно легко. Гораздо труднее сказать, когда оно произойдет. Замечено, что перед землетрясением наклон земной поверхности, измеряемый специальными приборами (наклономерами), начинает быстро изменяться, причем в разные стороны. Происходит «буря наклонов», которая может служить одним из предвестников землетрясения. Другой способ прогноза — подслушивание «шепота» пород, тех подземных шумов, которые появляются перед землетрясением и по мере его приближения усиливаются. Высокочувствительные приборы регистрируют усиление местного электрического поля — результат сжатия пород перед землетрясением. Если на побережье после подземных толчков резко меняется уровень воды в океане, значит надо ждать цунами.

И все-таки прогнозирование землетрясений находится в начальной стадии, что, конечно, обусловлено сложностью сейсмических явлений и неполнотой наших сведений о том, что происходит в земных недрах. Над решением проблемы прогноза землетрясений работают большие коллективы ученых. И наступит время, когда человек полностью обуздает внутренние силы своей планеты, заставив их работать на себя.