А что же представляет собой фаза L? Английский физик Релей доказал, что это волны особого характера: они распространяются только но поверхности. А раз это так, то именно поверхностные волны непосредственно причиняют разрушения.
Сейсмические волны — сигнал, посланный из глубины земного шара
Остается объяснить, почему на графике кривые волн Р и S изогнуты, а волны L — прямолинейны. Объяснить это очень просто. Скорость волн L постоянна, чего, впрочем, и следовало ожидать, поскольку они распространяются по поверхности, то есть в однородной среде, и, следовательно, отражающая их кривая может быть только прямолинейной. И наоборот, поскольку кривые волн Р и S показывают, что скорость их меняется, такое изменение может произойти только из-за сопротивления, которое они встречают на своем пути. Это сопротивление тоже не постоянно. От чего же зависит сила сопротивления, которое встречают волны Р и S? Разумеется, от неоднородного строения земного шара. Все это наводит на мысль, что Земля состоит из наложенных друг на друга концентрических пластов разнородных пород. Вот почему сейсмические волны, проникая на разные глубины, приобретают различную скорость.
Здесь мы не будем прослеживать движение сейсмических волн и изучать изменение их поведения по мере того, как они последовательно пронизывают различные пласты земной коры. Скажем только, что проблемы эти весьма сложные, и сейсмологам приходится проявлять огромную изобретательность, чтобы как можно лучше в них разобраться. Дело в том, что и продольные, и поперечные волны, зарождаясь в очаге землетрясения, распространяются в разных направлениях: одни к поверхности, другие в глубь Земли. Поскольку последние пронизывают разнородные толщи, с ними происходит то же самое, что и со световыми волнами, когда последние переходят из одной среды в другую, а именно они преломляются. В тех случаях, когда один слой заменяется другим резко, без перехода, траектория сейсмических волн тоже меняется. Когда непрерывность чередования волн нарушается, иногда возникает явление отражения. Можно представить себе те трудности, которые должен преодолеть геофизик. Ему приходится иметь дело с прямыми и отраженными волнами; с теми, которые, испытав отражения, пересекли добрую половину планеты, и с теми, что, дважды давая отражение, превратились из Р в S или наоборот.
Но раз в этой книге мы поставили перед собой задачу только изучить землетрясения и их последствия для человека, не стоит вдаваться в эту сложную проблему. Все же неразумно будет пройти мимо основной особенности сейсмических явлений. Все, что сказано до сих пор, изображает землетрясения как чудовищные катаклизмы, одинаково безжалостные и к мертвой и к живой природе. В их руках человек — жалкая игрушка. Ну что же, теперь посмотрим на сейсмические явления глазами ученого.
Землетрясение — это результат различного рода колебаний, зарождающихся в подземном очаге и претерпевающих в глубинах земного шара многообразные изменения. Когда они доходят до сейсмолога, он в праве рассматривать их как подлинные сигналы, посланные из очага и прошедшие десятки и даже сотни километров под землей. Как хочется расшифровать эти сигналы и узнать, что же происходит в этом недоступном подземном царстве! Какая это благородная задача для ученого! Давно уже пора опровергнуть остроту, что ученые гораздо лучше знают строение Солнца, чем своей Земли! Забавная шутка или унизительное утверждение — понимайте, как хотите! Поскольку температура Солнца известна, его физическое состояние представляется несложным, и астрономы чуть ли не с полной уверенностью описывают его строение до самого центра, который находится в 700 000 километрах от поверхности. Что касается Земли, то здесь на основе непосредственного опыта нам известны лишь первые 7–8 километров от поверхности в глубь планеты, поскольку до настоящего времени более глубокого бурения с исследовательскими целям» не производилось. И ни одна наука, кроме сейсмологии, не в состоянии предугадать процессы, происходящие в глубинах Земли. Понятно, что воображение разыгрывалось вовсю, прежде чем эта наука научилась расшифровывать сейсмические сигналы.
Французский физик Бабинэ заявил с кафедры в 1885 году:
«Не только теория, но и наблюдения указывают, что на сравнительно небольшой глубине земной шар находится в расплавленном состоянии и что материки плавают по безбрежному океану расплавленной породы, подобно камням на жидком металле, устремляющемся потоком из доменных печей.
Причина землетрясений теперь совершенно ясна. Наша Земля представляет железную массу, покрытую корой твердого застывшего пласта, толщиной около 30 километров. Под корой находится расплавленная порода; последняя выходит на поверхность, когда образуется механический разрыв в затвердевшей коре, из которой сложены континенты и дно океанов»[60].
Эта концепция только недавно исчезла из школьных учебников. Многие из нас помнят, как в школьные годы приходилось заучивать эту простую и немного пугающую теорию, согласно которой только тонкая скорлупа отделяет нас от огненной пучины, глубиной 12 000 километров…
И только тогда, когда научились понимать сейсмические сигналы, эта фантастическая картина была перечеркнута наукой.
Не прошло и 50 лет, но этого оказалось достаточно, чтобы наши знания о строении земного шара перестали быть чистой теорией и превратились в гипотезу, подкрепляемую все более вескими доказательствами. Гипотеза эта не только отвечает интересам ученых, но и способствует разрешению неотложных практических задач, стоящих перед человечеством. Действительно, разве познание недр земного шара и все более глубокое проникновение в механизм землетрясений не представляют собой еще одного шага на пути к предсказанию этих грозных явлений? Понятно, что жители Сан-Франциско, Японии или Северной Африки будут от всего сердца приветствовать любое достижение науки, которое позволит прогнозировать землетрясения.
С этой точки зрения даже самые сильные сейсмические возмущения приносят известную пользу.
Можно не сомневаться в том, какую сенсацию вызвало среди ученых Чилийское землетрясение 1960 года. Эта катастрофа позволила проверить, может ли Земля резонировать, как колокол, под воздействием столь мощного толчка и породит ли такое сотрясение кроме известных волн Р, S и L еще другие ультрадлинные волны с периодом 50 минут. Эта катастрофа дала возможность выбрать среди предложенных учеными гипотез о внутреннем строении Земли ту, которая была ближе всего к истине. Большинство ученых стало на сторону той схемы, которую предложил ранее австралийский геофизик Баллен.
Рис. 18. Разрез земного шара (по Баллену).
Схема Баллена представлена на рис. 18. На этой схеме земной шар подразделяется на четыре слоя: внешний, или кору (слой чрезвычайно тонкий, мощностью не более 40 километров и относительно легкий, с плотностью 3,3); промежуточную оболочку (тоже твердую, но гораздо более мощную, достигающую 2900 километров, и тяжелую, с плотностью 3,3–5,5), ядро, состоящее из горных пород и металла в жидком состоянии (мощность 2220 километров, плотность 9,5–12) и, наконец, субъядро из твердого металла (с температурой 4000 градусов, радиусом 1250 километров и плотностью 18).
Под разрывной границей Мохоровичича — неизвестность
Именно изменение скорости сейсмических волн при переходе из одного слоя в другой и помогло обнаружить границы между различными слоями, а затем и их мощность. Лучше всего изучена граница, отделяющая кору от промежуточной оболочки. Югославский геолог Мохоровичич, обнаружив в 1909 году, что волны Р и S как бы раздваиваются, достигая поверхности, первым истолковал это явление как признак нарушения сплошности пластов. С того времени это явление получило известность под названием разрывной границы Мохоровичича, а опыты но вызову искусственных сейсмических возмущений позволили с 1949 года устанавливать глубину этой границы со все большей точностью. Теперь нам известно, что под материками она находится на глубине от 30 до 40 километров. Над границей Мохоровичича простираются граниты, которые в свою очередь перекрыты осадочными толщами. Под океанами разрывная граница проходит на глубине 10–11 километров от поверхности, а мощность коры здесь не достигает и 5 километров.
