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 оболочки, толщина которой будет меняться от нуля до нескольких километров. Осадочная оболочка несет на себе следы всех геологических перемен, испытанных Землею за длительное время, от начала палеозойской эры и до наших дней; она, в сущности, есть продукт этих перемен, продукт бесконечно сложных и постоянно текущих геологических процессов, затрагивающих как внутренние части земного шара, так и его поверхность, включая атмосферу и гидросферу. Осадочная оболочка — один из основных объектов внимания геологов. Осадочных пород нет, или почти нет, лишь там, где они смыты в результате деятельности проточных вод, ветра, ледников, например, на территории Финляндии, Карелии, Кольского полуострова. Таким образом, осадочная оболочка не покрывает всю Землю сплошь, но все же большую ее часть.

Дальше, ниже, следует гранитная оболочка. Дело в том, что сейсмические волны, проходя ниже осадочной толщи, во многих местах показывают постоянную по величине скорость порядка 5,4–5,6 километра в секунду. С такой скоростью, как показывают опыты в лабораториях и в поле, волны проходят через изверженные породы «кислого» состава, т. е. граниты. Гранит — широко распространенная порода. Он представляет собою затвердевшую магму и состоит из полевого шпата, кварца и слюды. Известны обширные выходы гранита на поверхность — в Финляндии, на Украине, на Урале, в Сибири.

Мощность (т. е. толщина) «слоя» гранита меняется в широких пределах, и в некоторых местах достигает нескольких десятков километров.

Гранита нет под дном Тихого океана. Его также нет, или почти нет, под дном Индийского и Атлантического океанов. Под материками слой гранита почти повсеместно обладает мощностью около 10 километров. Наконец, под современными горными цепями, такими, как Альпы или хребты Памира, слой гранита достигает наибольшей мощности — километров до 50.

Несколько иначе ведет себя следующий «слой» — слой базальта. Этот «слой» обнаруживается с очевидностью по изменению скорости распространения упругих колебаний, которая достигает в нем значений порядка 6,0–6,5 километра в секунду (для продольных волн). Базальт в химическом отношении принадлежит к классу «основных» изверженных пород. «Основные» породы отличаются от «кислых» тем, что в них меньше окиси кремния (т. е. мало или совсем нет таких минералов, как кварц и полевой шпат) и больше темных, цветных минералов (таких, как оливин), содержащих железо, магний и др. «Основные» породы темнее и тяжелее «кислых».

В области обширных и плоских равнин материков слой базальта достигает значительной мощности — до 30 километров. Под современными горными хребтами его толщина, по-видимому, несколько сокращается. Под дном океанов в некоторых случаях слой базальта не обнаруживается совсем.

Гранитный и базальтовый слои вместе образуют оболочку, которая получила наименование «сиаль» — от слов silicium (кремний) и aluminium (алюминий). Некоторые геофизики полагают, что с сиалической оболочкой целесообразно отождествлять понятие о земной коре. Таким образом, в представлении этих геофизиков земная кора обладает наибольшей мощностью (50–60 км) в пределах горных хребтов; в области материков она всюду сохраняет примерно одинаковую толщину, порядка 35 км, и в области океанов (по крайней мере, Тихого) ее нет.

Еще глубже, т. е. ниже слоя «сиаль», залегают «ультраосновные» породы, которые более богаты железом и магнием, чем «основные»; здесь получают преобладание такие минералы, как фаялит, форстерит, оливин и др. Такому составу соответствуют горные породы перидотит, эклогит, пироксенит, дунит. Это первая оболочка, охватывающая весь земной шар сплошь, без перерывов. Под материками и горными системами рассматриваемая оболочка залегает, следовательно, под сиалической, а в области океанов она непосредственно подходит ко дну. Толщина ее определяется с большой точностью, ибо по различным источникам получается одна и та же цифра — до 1200 км ниже поверхности Земли. Часто ее называют перидотитовой или же симатической, по слову «сима», т. е. silicium (кремний) и magnesium (магний).

Важно отметить, что граница между наружной сиалической оболочкой и данной, симатической или перидотитовой, проявляется с большой резкостью. Это так называемая «поверхность раздела первого рода», на которой упругие свойства вещества резко меняются. Так, по данным Е. А. Розовой, скорость продольных сейсмических волн для верхнего горизонта («сиаль»), по наблюдениям в Средней Азии, определяется в 5,5–6,3 км/сек, а нижнего т. е. ниже поверхности раздела — 7,9 км/сек. Для атлантического побережья Северной Америки получены цифры соответственно 5,8 и 7,5 км/сек. Подобных примеров можно привести множество. В целом оказывается, что скорость продольных волн в слое «сиаль», в его нижних горизонтах, достигает приблизительно 6 км/сек, а ниже поверхности раздела, в слое «сима» сразу повышается до 8 км/сек. Эта поверхность часто именуется поверхностью Мохоровичича, по имени югославского ученого, открывшего ее впервые.

Зная состав оболочек «сиаль» и «сима», можно рассчитать, какова будет плотность вещества на различных уровнях. Удельный вес осадочных пород, как правило, меньше 2,5, гранита — около 2,6, базальта — 2,7, перидотита — 3,2. Такими цифрами и нужно определять плотность соответствующих слоев. В нижней части перидотитовой оболочки плотность возрастает до 4,0–4,5.

Заметим одно обстоятельство: формулы, по которым определяется скорость упругих колебаний, показывают, что при возрастании плотности пород скорость должна уменьшаться. Следовательно, нельзя, как часто думают, объяснять увеличение скорости упругих волн на глубине бóльшей плотностью расположенных там пород. Скорость растет потому, что растет давление, оказываемое вышележащими породами на нижележащие; вследствие роста давления изменяются упругие свойства вещества (возрастают модуль всестороннего сжатия и модуль сдвига), что и ведет к увеличению скорости.

В направлении от верхней границы перидотитовой оболочки к нижней скорость упругих колебаний снова растет, причем постепенно: от 7,9 до 11,7 км/сек для продольных волн и от 4,4 до 6,5 км/сек для поперечных. Плотность вещества также изменяется — от 3,3 до 4,5.

На глубине 1200 км, а также на глубинах 1700 и 2400 км, снова имеются поверхности раздела, но они отличаются от поверхности Мохоровичича тем, что изменение упругих свойств вещества здесь происходит нерезко — изменяется лишь темп роста скорости. Такие поверхности носят наименование «поверхностей раздела второго рода». Скорость продольных волн, пересекающих слой от 1200 до 2900 километров глубины, изменяется от 11,7 км/сек до 13,6 км/сек. Плотность вещества у нижней границы данного слоя достигает приблизительно 6,0. Этот слой, заключенный между глубинами 1200–2900 км, чаще всего именуется «промежуточным слоем» или «промежуточной оболочкой».

Новая резкая поверхность раздела обнаруживается на глубине 2900 км; это снова «поверхность раздела первого рода». Здесь совершенно неожиданно скорость упругих колебаний (продольных), достигающих этих глубин при сильных землетрясениях и проходящих еще далее вглубь, внезапно падает с 13,6 до 8,1 км/сек. После того как волны прошли эту границу, скорость их снова начинает расти, медленно и постепенно увеличиваясь от 8,1 км/сек на уровне 2900 км до 11,3 в центре Земли. Поперечные же волны, судя по всем данным, вообще не проходят глубже 2900 км (рис. 6).

Рис. 6. Изменение скоростей продольных (Р) и поперечных (S) волн внутри Земли.

Что же происходит на границе, залегающей на глубине 2900 км, границе, которая, как считают, отделяет «промежуточную оболочку» от «ядра» Земли? Почему так меняются упругие свойства вещества? Трудно дать окончательный ответ, но скорее всего дело заключается в резком изменении плотности пород (при переходе через эту границу), скажем, с 6 до 10. Такое резкое изменение может быть вызвано либо изменением состава «ядра» по сравнению с составом «оболочки», либо изменением свойств вещества «ядра», испытывающего огромное давление всей толщи пород, лежащих выше (рис. 7).

Рис. 7. Строение земного шара.

В последнее время появляются основания говорить о наличии еще нескольких поверхностей раздела (кроме уже упомянутых) на глубинах 900, 1800, 5800 км и др. Наличие подобных границ, или, по крайней мере, основных из них, таких, как подошва сиалической оболочки или граница ядра, сомнений не вызывает. Что же касается соображений о минералогическом составе оболочек и их агрегатном состоянии, то здесь, к сожалению, еще слишком много неясного. Прежде всего, нам мало известно, как изменяется внутри Земли температура и как влияет на свойства вещества одновременное воздействие высокой температуры и высокого давления.

Перейдем к рассмотрению этих вопросов.