9. Строение земного шара

В чём же причина большой твёрдости Земли? Одета ли она чрезвычайно твёрдой и толстой корой? Или, может быть, она целиком — очень твёрдое тело?

Пока о состоянии вещества Земли мы можем судить только по тому, чтó наблюдаем на её поверхности.

Люди пробурили скважины на 5–6 километров вглубь Земли. Оказалось, что на такой глубине температура горных пород выше 100 градусов.

Поднятие температуры, наблюдающееся при углублении в земные недра, препятствует проведению шахт глубже 2,5 километра.

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).

Рис. 6. Горизонтальный маятник.

Стержень колеблется в горизонтальной плоскости. Регулируя длину нити, на которой он подвешен за середину, можно добиться того, что его собственные колебания будут во много раз медленней, чем колебания почвы.

Такой маятник сам не выйдет из состояния покоя и будет показывать только отклонения почвы. Им и воспользовался Голицын для своего сейсмографа.

Однако отмечаемые этим прибором отклонения составляют лишь десятые или даже сотые доли миллиметра. Для записи же нужно увеличить их в сотни и тысячи раз.

Самый простой способ увеличения — прикрепить к маятнику маленькое зеркальце, которое отбрасывает свет лампы — «зайчик» — на далеко отставленный экран. При малейшем повороте зеркала «зайчик» будет заметно передвигаться.

Маятник остаётся неподвижным, а почва со стоящими на ней лампой и экраном колеблется из стороны в сторону, и «зайчик» передвигается по экрану.

Отражённый свет падает на фотографическую плёнку, и его движение запечатлевается на ней. Светочувствительная лента приводится в движение часовым механизмом, и светлое пятнышко чертит на ней зигзаги сейсмограммы, так что прибор работает автоматически.

Для регистрации вертикальных колебаний почвы применяется такое устройство. Стержень, один конец которого с помощью шарнира вращается на вертикальной стойке, подвешен за середину на спиральной пружине. На другом конце стержня укреплён груз с пером, которое касается ленты на вращающемся барабане (рис. 7).

Рис 7. Сейсмограф, отмечающий вертикальные колебания почвы.

При вертикальном колебании почвы груз остаётся в покое, а стойки и барабан перемещаются то вверх, то вниз. Наблюдателю же кажется, что колеблется перо и чертит на движущейся ленте зигзагообразную линию.

Советские учёные изобрели приборы ещё более совершенные, чем построенные Голицыным. Особенную известность получили сейсмографы Д. П. Кирноса, П. М. Никифорова, Г. А. Гамбурцева, Д. А. Харина и других советских учёных. В основном они сходны с сейсмографами Б. Б. Голицына, но показания их более точны, и они удобнее для работы.

Сейсмографы, установленные на сейсмических станциях нашей страны и других стран мира, отмечают приход колебаний на различные станции, а также определяют угол, под которым выходят эти колебания на поверхность Земли.

Изучая сейсмограммы, можно мысленно наметить путь, по которому колебания пришли на станцию, и узнать их среднюю скорость.

Но как определить, с какой скоростью шли колебания на разной глубине?

Это — сложная задача. Её можно решить, сравнивая время прихода колебаний на разные станции, находящиеся на различном расстоянии от центра землетрясения.

С помощью таких наблюдений и сложных расчётов учёные доказали, что чем глубже внутрь Земли, тем быстрее распространяются колебания. Это значит, что с глубиной увеличиваются её твёрдость и упругость.

Наблюдения показали также, что поперечные волны, распространяющиеся только в твёрдых телах, глубже 2900 километров не проходят.

Повидимому, глубже 2900 километров резко меняются свойства Земли: в центральном ядре Земли, как в жидкостях, не распространяются поперечные колебания.

Но мы не можем считать вещество ядра Земли жидким, так как оно находится под давлением около двух миллионов килограммов на один квадратный сантиметр.

При таком давлении сходное с жидкостью пластичное тело может обладать совсем новыми, незнакомыми нам свойствами.

Это доказывают даже лабораторные опыты. Например, лепёшка из глиняного теста под давлением в десятки тысяч атмосфер слегка вдавливается в твёрдые стальные плиты. Мягкий парафин под таким давлением проникает в сталь.

Поэтому пока ещё нельзя судить о физических свойствах центрального ядра Земли, находящегося под давлением, в сотни раз большим. Однако по отношению к поперечным колебаниям ядро Земли ведёт себя, как жидкое тело.

Новейшими исследованиями советских геофизиков доказано, что внутри ядра диаметром около 7000 километров находится меньшее ядро диаметром около 2800 километров. Это меньшее ядро проявляет свойства твёрдого тела, так как в нём, повидимому, могут распространяться и поперечные колебания.

Примечания:

2

О землетрясениях подробно рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки»: проф. Г. П. Горшков, Землетрясения.