Текст книги "Землетрясения"
Автор книги: Пьер Руссо
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 16 страниц)
Другими словами, разрушительное землетрясение совсем не обязательно характеризуется большой магнитудой, и, наоборот, сейсмические возмущения с такой магнитудой вызывают мало толков, потому что они происходят на краю света, в малодоступных районах.
Читатель теперь понимает, почему колыбелью большинства землетрясений был Тихий океан или его побережье. И что наша старушка Европа, за исключением Турции, ни разу в списках не упомянута. Впрочем, это обстоятельство заслуживает более детального рассмотрения, что мы и сделаем в десятой главе.
Глава девятая
Язык сейсмографов
Какой странный прибор изображен на рисунке 12! Что это, крышка от суповой миски, мышеловка или игрушка для лягушат? Отнюдь нет! Неужели вы не догадались? Это же просто-напросто предок наших сейсмографов, скажем точнее: первый сейсмоскоп.
Краткая история сейсмоскопа
Говорят, что этот странный прибор относится к 132 году. Его создал китаец, по имени Чжан Хэн, человек широкой эрудиции, которого многие сравнивают с Леонардо да Винчи или с Омаром Хайямом. Полюбуемся же его искусным изобретением. Оно состоит из колокола, внутри которого подвешен язык. По окружности колокола сделаны отверстия, причем из каждого высовывается голова дракона. Каждый дракон держит в своей пасти шарик. Стоит только разразиться землетрясению, как язык начнет резко раскачиваться. Он ударит изнутри в один из шариков и тот упадет в пасть лягушки, сидящей внизу. Под ударом шарика она издает резкий звук. Так лягушка оповещает о подземном толчке и указывает его направление. Во II веке, подумаете вы, люди не предъявляли слишком больших требований к опознаванию землетрясений.
Рис. 12. Сейсмоскоп Чжан Хэна (по Масселуэйну и Милну).
Вы заблуждаетесь, дорогой читатель! Сейсмоскопами, которые произошли от этого простейшего прибора, пользовались в течение многих веков. Только в 1703 году французский физик Жан Отфёй решил сделать их менее занятными внешне, но несколько более научными. Он заменил шарики ванночкой, наполненной ртутью. Прошло еще более столетия, прежде чем догадались добавить вращающийся барабан с регистром, чтобы отмечать время землетрясения.
Систематически сейсмоскопами[55]55
Под сейсмоскопом в отличие от сейсмографа автор, следуя Рихтеру, подразумевает приспособление, которое отмечает возникновение землетрясения, но не дает записи. – Прим. ред.
[Закрыть] начали пользоваться в 1865 году в Маниле. Впрочем, они были тогда крайне примитивны и их показания имели значение только при единичном толчке. Если же толчки следовали один за другим, начиналась путаница. Вот почему физики решили серьезно заняться вопросом, как поточнее выявить и зарегистрировать движения грунта.
Проблема кажется простой только на первый взгляд. Стоит немного призадуматься, и становится ясным, что движение грунта нельзя установить с такой же легкостью, как какого-либо тела. Действительно, идет ли речь о пешеходе, повозке или самолете, их движение заметно лишь по отношению к окружающей местности, то есть по отношению к дороге, деревьям, домам и т. д. Но если движется сама местность, то из чего исходить при определении ее движения?
Что же принять за фиксированное основание, достаточно независимое от грунта, чтобы малейшие его движения были бы заметны относительно этой основы?
Нужно было найти абсолютно неподвижное тело, подвешенное над грунтом и не касающееся его: тогда можно было бы заметить движение грунта по отношению к этому телу.
От сейсмоскопа до тромометра [56]56
Тромометр (слово, происходящее от греческого тромос, то есть сотрясение) – термин, употребляемый французскими сейсмологами в качестве синонима маятникового сейсмографа с фоторегистрацией. В данном случае имеется в виду примитивный прибор с вертикально подвешенным маятником. – Прим. ред.
[Закрыть]
К сожалению, нельзя зафиксировать тело в пространстве, поскольку все тела падают. Нужно, следовательно, смириться с тем, что тело должно на чем-то покоиться, и постараться, чтобы его связь с грунтом была предельно слабой. Это условие подсказывает решение. Не подойдет ли в данном случае маятник? Подвесим тяжелый шар за нить, которую в свою очередь прикрепим к какой-нибудь опоре. Дадим щелчок по этой опоре: шар остается неподвижным. Инерция шара гарантирует его неподвижность, а сама инерция зависит от массы шара. Всем известно: чем тяжелее гиря маятника, тем менее она чувствительна к резким движениям опоры.
«Итак, – решили физики в середине XIX века, – вот он, наш идеальный сейсмоскоп – это маятник! Поскольку он остается более или менее неподвижным, нет ничего проще, как определять движения грунта относительно маятника. Мы можем даже прикрепить к маятнику карандаш, который, когда грунт заколеблется, оставит черту на бумаге, положенной под ним на полу».
Рис. 13. Тромометр, сконструированный в Париже около 1888 года для Манилы.
Прибор состоит из маятника, к тяжелой массе которого прикреплена игла. Эта игла вычерчивает линию на сферической закопченной пластинке.
Впрочем, поскольку грунт может смещаться в трех направлениях, важно, чтобы прибор записал три компоненты движения. Нужно, следовательно, чтобы наблюдение производилось тремя приборами; один запишет колебания в направлении север – юг, другой – восток – запад и третий – вертикальную компоненту.
Эти соображения породили целую серию тромометров, которыми пользовались на первых сейсмологических станциях. Конструкция тромометров очень проста: штатив, к верхней точке которого подвешен маятник. К его гире-шарику прикреплена игла. Шарик движется над закопченной поверхностью. Как только начинается землетрясение, поверхность сдвинется по отношению к маятнику и острие прочертит зигзаг (рис. 13).
Поскольку движения грунта никогда не достигают большой амплитуды, зигзаг не бывает длинным. Чтобы его изучить, ученым при применении тромометра приходилось прибегать к микроскопу. Естественно, что вскоре они задумались над тем, как увеличить зигзаг. Казалось, что для этого достаточно удлинить иглу. Но вслед за этим потребовалось удлинить и нить, чтобы колебания грунта как можно слабее действовали на маятник. Маятник с короткой нитью будет колебаться в унисон с грунтом. Удлинение нити устраняет этот недостаток.
Тогда ученые начали конструировать тромометры с нитью в несколько метров. Итальянец Вицентини из Падуи сконструировал пользовавшийся большим успехом тромометр с нитыо длиной 10 метров. Однако и этого оказалось недостаточно. Для замедления периода колебаний до 10 секунд нужна нить длиной в 25 метров. Разумеется, установить маятник с такой нитью немыслимо. Ученые быстро сообразили, что надо вести поиски в другом направлении. И в 1880 году это новое направление нашел англичанин.
От тромометра к сейсмографу
Англичанин этот, Джон Милн, работал горным инженером в Японии.
Разве мог специалист по горному делу не заинтересоваться землетрясениями, самым обыденным явлением в этой стране? Милн, склонный к научным исследованиям, заинтересовался этой проблемой и задался целью изобрести для изучения землетрясений более чувствительный прибор, чем маятник.
Проблема заключалась в том, чтобы увеличить период колебаний маятника. Но как добиться этого, не удлиняя нити? Известен и другой способ: уменьшить тяжесть гири[57]57
Поскольку период маятника Т равен
, можно достигнуть одинакового результата, либо увеличивая l (приведенная длина маятника), либо уменьшая g (ускорение силы тяжести).
[Закрыть]. Как это осуществить? Да заменить обычный вертикально подвешенный маятник горизонтальным! И вместе со своими друзьями физиками Юингом и Грейем Милн сконструировал первый сейсмограф.
Рис. 14. Принципы действия горизонтального сейсмографа.
Стержень CD движется вокруг слабо наклонной оси АВ, регистрируя перпендикулярные толчки.
Принцип, на котором основана конструкция сейсмографа с горизонтальным маятником, очень прост. Представьте себе дверь, ось которой не совсем вертикальна, а слегка наклонна. В этом случае дверь сама перемещается в вертикальную плоскость и чувствительна к любому толчку, перпендикулярному этой плоскости. Прибор состоит из горизонтального кронштейна CD (рис. 14), несущего на конце тяжелую массу D (весом несколько сот килограммов). Эта масса может свободно колебаться вокруг слегка наклонной оси АВ. Малейшее сотрясение каменной станины отражается соответствующим перемещением тяжелой массы D. В результате получаем период колебания, равный 15 и даже 20 секундам.
Как же пользоваться этим прибором для записи колебаний грунта? Разумеется, нет ничего проще, как прикрепить острие к тяжелой массе и поместить перед этим острием закопченную поверхность (например, разматывающуюся бумажную ленту, как это и делали вначале). Но Милн решил добиваться коренных усовершенствований: запись на закопченной поверхности он заменил фотографической регистрацией. Для этого он прикрепил к тяжелой массе не иглу, а зеркальце, и направил на него луч света; зеркальце отражает этот луч на разматывающуюся ленту фотографической бумаги. При разматывании бумажной ленты зеркальце оставалось неподвижным и на фото получалась прямая линия до тех пор, пока не происходило сотрясений грунта. При толчках на ленте записывались зигзаги, отражающие движения зеркальца. Так была получена подлинная сейсмограмма, читая которую, специалисты могли установить, когда началось землетрясение и его продолжительность, так как эта запись доверялась маятнику и электромагниту.
Сейсмограф, усовершенствованный после смерти Милна (1913) ученым Шоу, широко применяется и по сей день. Им пользуются не менее 20 обсерваторий. Однако эксплуатация этого прибора обходится дорого с учетом затрат на фотографическую бумагу. А ее расходуется 8 миллиметров за одну минуту. Сейсмограф Милна оставляет желать лучшего и в отношении точности.
Этим объясняется, что после Милна многие сейсмологи в свою очередь пытались изобрести другие приборы. В 1900 году немец Вихерт заменил горизонтальный маятник вертикальным астатическим маятником.
Рис. 15. Горизонтальный сейсмограф Вихерта.
Равновесие этого большого волчка, поставленного на острие, нарушается при малейшем толчке.
Сейсмограф Вихерта представляет собой не что иное, как огромный волчок (рис. 15), балансирующий на острие. Хотя равновесие этого волчка поддерживается двумя пружинами R и R' малейший толчок заставляет его отклоняться то в одну, то в другую сторону. Легко усилить и зарегистрировать это Движение, снабдив волчок пером и пропуская под ним ленту закопченной бумаги.
Прибор Вихерта очень экономичен, по обратной стороной медали здесь выступает механическая регистрация, которая вызывает трение, а это нельзя не учитывать. Чтобы преодолеть трение, вес массы волчка значительно увеличивали. Вес 1 тысяча килограммов – обычен для сейсмографа Вихерта. Столько весит этот прибор в обсерватории Сен-Морского парка. Но более мощные станции пользуются еще более тяжелым волчком. В институте Физики Земли в Страсбурге волчок весит не менее 19 тонн!
Читатель, вероятно, заметил, что все эти сейсмографы регистрируют только горизонтальные компоненты землетрясения. Чтобы записать вертикальную компоненту, пользуются другим прибором, состоящим в основном из тяжелой массы, подвешенной на спиральной пружине. Чтобы масса как можно меньше зависела от грунта, выбирается слабая пружина. В этом случае решающую роль играет инерция. Будет ли грунт резко прогибаться или подниматься, пружина, связанная через станину с тяжелой массой, растягивается или сжимается, а масса остается неподвижной. Можно, следовательно, заставить ее, как и в горизонтальном сейсмографе, вычертить график на закопченной или фотографической бумаге.
Голицын изобретает современный сейсмограф
Но большинством этих приборов, как вертикальных, так и горизонтальных, тяжелых, громоздких и неудобных в работе, перестали пользоваться с 1906 года, когда русский физик Б. Б. Голицын изобрел прибор, применяющийся теперь во всех странах мира. Этот ученый начал с того, что сконструировал горизонтальный сейсмограф, подобный тому, который изображен на рис. 14, но уменьшил вес тяжелой массы до нескольких килограммов. К концу маятника он прикрепил индукционную катушку, а сам маятник поместил между двумя магнитами. Не трудно догадаться, что, когда землетрясение вдруг начинает раскачивать маятник в катушке, которая перемещается относительно магнитов, возникает индуцированный переменный ток. Ток замыкается на гальванометре, и его зеркальце отражает синусоиды со светящимися точками, проектируя их на фотографическую бумагу. Так получается сейсмограмма без физической связи с грунтом, причем возможности увеличения практически не ограничены.
Рис. 16. Сейсмограф Голицына.
Движения стержня ОА регистрируются и увеличиваются с помощью электромагнита.
Конструкция вертикального сейсмографа не отличается большей сложностью. Представим себе рычаг ОА (рис. 16), движущийся в вертикальной плоскости вокруг точки О. Он поддерживается пружиной R и несет тяжелую массу М и индукционные катушки В. Когда рычаг, приводимый в движение вертикальным толчком, колеблется, катушки перемещаются между двумя магнитами. Как и в горизонтальном приборе, фотографическое отображение индуцированного тока получается после замыкания на гальванометр. Голицын предложил свои сейсмографы в 1911 году и снабдил ими сеть станций, начиная от Пулковской обсерватории и кончая Владивостоком. Не приходится сомневаться, что Голицын сразу же добился блестящих результатов, поскольку его прибором пользуются почти на всех станциях Советского Союза с усовершенствованиями, внесенными Никифоровым. Специалисты в других странах добились только повышения точности показаний, улучшив некоторые детали прибора Голицына. Это позволило улавливать сейсмические волны различной длины. До изобретения Голицына проблема увеличения амплитуды имела решающее значение. Вспомним, что сейсмические волны, какой бы разрушительной силы они ни достигали, всегда отличаются ничтожной амплитудой (порядка одного миллиметра) и что эти волны не отразились бы на сейсмограмме без их увеличения. Для этого и удлиняли маятники, использовавшиеся в XIX веке в качестве сейсмографов. Именно с этой целью Вихерт применил систему рычагов, которые усиливали ничтожные колебания астатического маятника, но электромагнитное реле Голицына сняло эту проблему. Оно позволило добиться увеличения в тысячу раз, а американский коллега Голицына Бениофф усилил амплитуду в 200 тысяч раз.
Последней новинкой был сейсмограф, сконструированный в Высшей педагогической школе Парижа. Этот прибор благодаря электронным усилителям увеличивает амплитуду в миллион раз. Однако это преимущество не так уж значительно, поскольку прибор пропорционально увеличивает и помехи. Даже шаги случайного прохожего, оказавшегося на расстоянии одного километра от станции, вызывают колебания, которые нарушают сейсмическую запись. Сейсмографы Милна – Шоу, Вихерта, Голицына, Бениоффа, а также приборы, сконструированные Майнка, Омори, Грене, Кервен – Пиккаром и другими, используются теперь на сейсмических станциях одновременно. Можно ли назвать это расточительством? Нет, нельзя! Каждый прибор обладает своими преимуществами: одними удобнее пользоваться для регистрации очень отдаленных, другими – близких толчков. К тому же оснащение станции зависит, несомненно, от весьма прозаических причин, и в первую очередь от щедрости правительства.
Международное сотрудничество сейсмологов
Вам, вероятно, интересно узнать, сколько же сейсмологических станций существует на земном шаре и как они работают. Разумеется, не может быть и речи, чтобы здесь их перечислить. Даже специалисты не в состоянии этого сделать. В списке, опубликованном в 1953 году Брюссельской обсерваторией, перечисляется 518 станций. Но в этом году не менее 20 станций закрылось, и не исключено, что столько же числилось только на бумаге. В Европе насчитывается около 85 станций, без Советского Союза, в Северной Америке – 130, в том числе 90 в США, в Южной Америке – 15, в Японии – 120, в других странах Азии – 40, в Африке – 18 обсерваторий, в Австралии – 5. После Международного геофизического года[58]58
Имеется в виду Международный геофизический год, начавшийся 1 июля 1957 года и продолжавшийся до 31 декабря 1958 года. – Прим. ред.
[Закрыть] несколько станций создано в Арктике и Антарктике.
В Европе (кроме СССР) к самым крупным относятся станции в Бухаресте, Будапеште, Копенгагене, Гренаде (Испания), Чопе, Гамбурге, Йене, Кью (Англия), Кируне (Швеция), Праге, Рейкьявике, Риме, Страсбурге, Штуттгарте, Толедо, Триесте, Икле (Бельгия), Упсале (Швеция), Варшаве, Цюрихе.
Каждая из них не ограничивается накоплением собственных наблюдений. Нет науки без обобщений! Бесчисленное множество мелких фактов не способствовало бы развитию науки, если бы факты не сопоставлялись и не обобщались теоретическими выводами. Вот почему некоторые из 500 обсерваторий, рассеянных по всему земному шару, занимаются сбором наблюдений окружающих их станций, а затем передают их Международной центральной сейсмологической службе в Страсбурге. Обсерватории, занимающиеся сбором сводок, имеются в Токио, Москве, Вашингтоне, Шиллонге (Ассам), Веллингтоне (Новая Зеландия), Оттаве, Мехико, Сантьяго (Чили), Иоганнесбурге, Мадриде, Алжире, Букаву (Конго, Леопольдвиль), Джакарте (Индонезия), Кветте (Пакистан). Международная центральная сейсмологическая служба в Страсбурге сводит все отчеты, анализирует и публикует характеристики землетрясений. Затем через несколько лет они публикуются в объемистых годовых каталогах, которые составляются в Кью под названием «Международная сейсмологическая сводка».
Впрочем, мы не станем задерживаться на этой международной и административной деятельности сейсмологов и, вместо того чтобы ждать у дверей обсерваторий выпуска сообщений, войдем и посмотрим, как же выслушивают земной шар.
Как расшифровывают сейсмограмму
Нам, разумеется, хочется посмотреть, как работают сейсмографы, но приближаться к ним не рекомендуется. Даже легкие шаги раскачивают пол, и этого достаточно, чтобы на сейсмограмме отразились помехи в виде незакономерных искривлений. Не надо забывать, что сейсмограф регистрирует даже колебание на 0,001 миллиметра. Но допустим, что нам все же разрешили подойти совсем близко к этим бесшумным приборам и наблюдать за их работой. На сейсмографе любой системы мы обнаружим вращающийся барабан, на который наматывается бумажная лента. Одни сейсмографы дают фотографическую запись, острие других наносит кривые на закопченную ленту. Казалось бы, что, если не происходит никаких сейсмических явлений, должна получиться прямая линия. Но на практике эти линии состоят из ряда еле заметных зигзагов; это следствие так называемых микросейсмических возмущений, к которым мы скоро вернемся.
Теперь нам хочется взглянуть на сейсмограмму землетрясения. Возьмем для примера сейсмограмму Японского землетрясения 1923 года, которое мы проследили с начала и до конца в пятой главе (см. рис. 4). Она записана в Сен-Морской обсерватории и проанализирована Эблэ, о чем уже говорилось на стр. 90, 91.
Правда, здесь приведена лишь часть сейсмограммы, так как полная запись занимает три четверти метра. Однако и этого отрывка достаточно, чтобы привести нас в замешательство. Глядя на более или менее резко выраженные зигзаги, мы поражаемся, как же сейсмологи могут их расшифровывать таким образом, чтобы узнать время наступления землетрясения, его магнитуду, расстояние от эпицентра и многое другое. Скажем в двух словах, как это сделала женщина-сейсмолог Лабруст, что «анализ сейсмограммы заключается в точном замере времени наступления отдельных фаз (с точностью до 0,1 секунды для первой фазы и до 1 секунды для последующих), в определении природы волн и их первопричины в пространстве и во времени (эпицентр, глубина очага, время в очаге), так же как и в определении более или менее сложных траекторий, по которым следовали эти волны». Но кое-что из того, что мы увидим при более внимательном изучении сейсмограммы, требует объяснения. Чтобы войти в курс дела, допустим, что мы провели возле приборов ночь с 31 августа на 1 сентября 1923 года. До 3 часов все было спокойно. С 3 часов 11 минут сейсмограф вдруг начинает регистрировать группы волн. Это очень короткие волны с большой скоростью и ничтожной амплитудой. Мы могли бы считать их незначительными, если бы не… Скажем только, что такие волны называют первыми, или волнами Р, и посмотрим, какими они будут минут через 15. Мало-помалу их сменят другие волны с большей длиной и амплитудой. Это вторые волны, или волны S (крайние слева на рис. 4). Далее мы видим, что через какое-то время волны S в свою очередь вдруг преобразуются в волны гораздо большей длины. Их амплитуда так велика, что зигзаги достигают 17 сантиметров! Это длинные волны, или волны L[59]59
Обозначения Р, S и L происходят от латинских слов primae (первые), secundae (вторые) и longea (длинные). – Прим. ред.
[Закрыть].
Рис. 17. Кривые распространения сейсмических волн Р, S, L.
Из графика видно, что волны L распространяются с постоянной скоростью, тогда как скорость распространения волн Р и S обусловлена расстоянием от эпицентра (по Лабруст).
Но запись еще не закончена. В течение последующих двух часов сейсмограф продолжает регистрировать толчки. Волны L превращаются в колебания с более коротким периодом, затем они вытягиваются в цуг правильных синусоидальных волн, которые тем медленнее затухают, чем больше расстояние от очага землетрясения.
Волны Р, волны S, волны L – вот то, что сейсмологи называют тремя главными фазами сейсмограммы, тремя группами различных и характерных волн, тайну которых нам предстоит теперь разгадать.
В тот же день 1 сентября 1923 года, когда нам удастся установить связь с другими станциями, мы узнаем, что это сейсмическое возмущение с той же последовательностью волн Р, S и L было зарегистрировано повсеместно. Нас поразит, что наступление различных фаз землетрясения было зарегистрировано повсюду в разное время. Чем дальше находилась станция от эпицентра, тем позднее было зарегистрировано землетрясение. Мы могли бы даже составить график, подобный тому, который представлен на рис. 17.
На этом графике по оси абсцисс отложены расстояния (в тысячах километров) от сейсмологической станции до эпицентра, а по оси ординат – время прохождения (в секундах) волн Р, S и L. Как и следовало ожидать, мы прежде всего установили, что время пробега волны тем продолжительней, чем больше расстояние между станцией и эпицентром, и, далее, что определенные таким образом точки образуют для каждой из трех фаз непрерывные кривые.
Но эти три кривые не похожи друг на друга. Кривая L прямолинейна; кривые волны Р и S выгибаются и заканчиваются ниже. Что же это значит? Кривые подтверждают показания сейсмограммы: из трех видов колебаний, одновременно зародившихся в очаге землетрясения, волны Р приходят первыми, поскольку они распространяются с наибольшей скоростью. Волны 5 распространяются с меньшей скоростью, a L – еще медленней. Вспомним, что сейсмические волны бывают продольными и поперечными, причем именно продольные волны отличаются наибольшей скоростью. Отсюда можно сделать вывод, что фаза Р соответствует вступлению продольных волн (то есть расширению – сжатию), а фаза S — вступлению поперечных волн (подобных кругам на поверхности воды)…
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]60
Цитируется по книге Лабруст. См. Y. Labrouste, La Discontinuité de Mohorovicic, «Nucléus», mai – juin 1960.
[Закрыть].
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.
