Вид с высоты

Существует два главных типа сейсмических волн: Р (первичные) и S (вторичные). Р — это продольные чередующиеся волны сжатия и расширения, напоминающие звуковые волны. S — это поперечные волны; они похожи на извивы змей и ассоциируются у нас с волнами на воде. Продольные сейсмические волны распространяются быстрее, чем поперечные, и первыми достигают сейсмической станции. Чем дальше станция от места землетрясения, тем дольше будет промежуток времени между приходом продольных и поперечных волн. Для точного определения места (эпицентра) землетрясения достаточно, чтобы его зарегистрировали три работающие совместно станции, которые используют упомянутую разницу во времени.

Зная, где находятся и эпицентр и станция, можно проследить весь путь волн сквозь толщу Земли. Чем больше расстояние между местом землетрясения и сейсмической станцией, тем глубже поступающие волны проникают в Землю. Если бы Земля была всюду одинаково плотна и тверда, то волны пришли бы на станцию, затратив на это время, пропорциональное расстоянию от эпицентра.

В действительности плотность и твердость пород, из которых сложена Земля, с глубиной меняются. Лабораторные опыты с различными породами показали, как меняется скорость распространения двух типов волн в зависимости от плотности и твердости различных пород при разных температурах и давлениях. Эти данные можно экстраполировать на те температуры и давления, которые господствуют в недрах Земли, но не поддаются воссозданию в лабораторных условиях^[12]. Это считается рискованным делом (как и всякая экстраполяция), но геологи уверены, что они могут истолковывать действительную скорость распространения сейсмических волн на данной глубине и определять плотность находящихся там пород.

Оказывается, плотность Земли повышается довольно медленно и постепенно — с 2,8 грамма на кубический сантиметр на поверхности до 5,9 грамма на кубический сантиметр на глубине примерно 3450 километров.

А затем вдруг происходит резкий скачок. Об этом можно судить по поведению сейсмических волн. Сначала волны распространяются по областям, где с глубиной плотность повышается, а затем возвращаются к поверхности по тем областям, где эта плотность убывает, и по пути меняют направление и рассеиваются, подобно тому как рассеивается свет, проходя сквозь слой воздуха с меняющейся плотностью. Пока плотность изменяется постепенно, направление движения волн тоже меняется постепенно, и изгиб получается ровный. Именно так происходит, пока волны не достигнут глубины 3450 километров.

Представьте себе, что сейсмическая станция расположена на таком расстоянии от места землетрясения, что волны, возникшие от подземного толчка, проникают на указанную глубину. Все станции, находящиеся между нашей станцией и эпицентром, тоже принимают волны, проникающие вглубь на различные расстояния, но не достигающие 3450 километров.

Станция, которая расположена несколько дальше от эпицентра землетрясения, чем наша, по-видимому, должна зарегистрировать волны, проникающие на глубину больше 3450 километров, но она не отмечает их совсем. А станции, находящиеся еще дальше, на 1500 километров и более, четко регистрируют волны, хотя расстояние между ними и эпицентром землетрясения гораздо больше.

Короче говоря, на земной поверхности получаются районы («мертвые зоны»), напоминающие баранки, в центре дырок которых находятся эпицентры. В самой «баранке» волны не ощущаются. Это объясняется тем, что любая волна, проникающая на глубину более 3450 километров, вдруг резко меняет направление и минует «мертвую зону». Единственной причиной такого резкого изменения направления может быть неожиданно резкое изменение плотности.

Анализ времени прибытия волны в районы вне мертвой зоны показывает, что плотность резко увеличивается — с 5,9 до 9,5 грамма на кубический сантиметр. Ниже 3450 километров плотность с глубиной продолжает по-степенно расти, достигая примерно 12 граммов на кубический сантиметр в центре Земли.

Все это относится только к продольным сейсмическим волнам. Поведение поперечных волн более загадочно. Когда поперечные волны проникают на глубину более 3450 километров, они не просто меняют направление, а исчезают вовсе. Логичнее всего объяснить это так: продольные волны, в том числе и продольные сейсмические волны, могут распространяться в жидкости, а поперечные волны, в том числе и сейсмические, не могут. Следовательно, область Земли ниже 3450 километров должна быть жидкой.

На основе данных, полученных в результате изучения поведения сейсмических волн, мы можем считать, что Земля состоит из жидкого «ядра», имеющего радиус около 2900 километров и окруженного твердой мантией толщиной 3450 километров. Резкое разграничение между этими двумя главными частями впервые было продемонстрировано в работе американского геолога Бено Гутенберга в 1914 году, и поэтому оно названо «разделом Гутенберга».