Леонардо да Винчи, Записные книжки
Теперь пора отчитаться о результатах, полученных с помощью сейсмических исследований в различных частях земного шара. Это влечет за собой описание общепринятых терминов, которые используются при характеристике земной коры. Читателя не должны пугать такие названия, как «слой 6,7 км/сек» или то странное словечко, которое стоит в заголовке этой главы, так как это своего рода жаргон морских геологов. Может быть эти выражения не очень изящны, но они применяются и понятны всем, кто изучает эти проблемы во всех странах.
В настоящей главе рассматриваются результаты, касающиеся строения и мощности коры на всем земном шаре. Мы видели, что земная кора — это тонкая кожица, которая сморщена вокруг оболочки (мантии) и ядра Земли. Хотя она и тонка по сравнению с мантией, кора имеет для нас первостепенное значение, так как она сложена горными породами, с которыми мы уже познакомились на поверхности.
Распределение коры под океанами и континентами — фактор, который может быть использован для проверки различных теорий образования Земли. Например, оно может помочь в выяснении вопроса — являются ли океаны неизменными чертами рельефа Земли? Некоторые геологи считают, что на том месте, где сейчас океан, завтра может быть суша. Другие же в поддержку идеи о неизменности Тихого океана указывают на существование таких границ, как андезитовая линия.
Результаты сейсмических исследований могут помочь в объяснении самых новейших взглядов на эти противоречивые вопросы, и эксперименты, выполненные «Челленджером», будут использованы для иллюстрации различных точек зрения. Получилось очень удачно, что «Челленджер» мог сравнить строение Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Кроме того, длительное плавание по Тихому океану дало возможность провести сейсмические измерения в областях, относящихся к различным геологическим и морфологическим структурам.
Тихий океан — величайший из океанов Земли, и в нем развиты интереснейшие образования — коралловые атоллы и множество островов. Если вы хотите выбрать место для морских геологических исследований, то Тихий океан будет самым подходящим объектом. Именно Тихий океан позволил нашей экспедиции разработать классификацию различных типов океанических структур, применимую и для других океанов. Тихий океан прямо-таки снабжает нас «типичными примерами».
При плавании по Тихому океану необходимо усвоить и некоторые другие сведения, и поэтому, прежде чем перейти к знакомству с историей земной коры, проследим несколько подробнее за движением «Челленджера». Новый капитан оказался одним из тех немногих людей, изучавших естественную историю, которые призваны украсить эту науку даже в наш век узкой специализации. Во времена тихоокеанских открытий XVII—XVIII вв. он безусловно был бы в своей стихии. Впрочем, трудно было бы найти более подходящего капитана и для современной экспедиции. И капитан 3-го ранга Ричи как нельзя лучше оправдал себя на этом посту, проявляя повсюду глубокий интерес и любовь к людям и природе, от уединенных островов Королевы Шарлотты у берегов Британской Колумбии до цветущих островов Фунафути и Нукуфетау в тропиках.
Объединенные усилия современной цивилизации, кино и телевидения еще не успели свести все население земного шара к единому и вместе с тем уныло однообразному уровню. В Тихом океане в особенности жизнь людей в маленьких сообществах и большие расстояния, отделяющие их друг от друга, способствуют сохранению в некотором роде отсталого, но в то же время счастливого духа здорового индивидуализма. Стив Ричи всячески поддерживал этот грубоватый индивидуализм, в особеннностп когда дело касалось его оригинального одеяния: он мог появиться на мостике в ярко-красной клетчатой канадской куртке лесорубов или же на баке раздавать каву1, одетый в живописную травяную юбку обитателей южных островов. Он весь излучал энтузиазм. И обширное и пустынное открытое море, вместо того чтобы казаться всем скучным и однообразным, становилось ареной тысячи захватывающих явлений — от таинственных звукорассеивающих слоев до зеленого луча на закате. Этот его энтузиазм был до того заразителен, что даже самого невозмутимого механика из машинного отделения можно было теперь застать наблюдающим за птицами или жуками.
Во всяком случае, хотя все тихоокеанские острова уже и открыты, это ни в коем случае еще не означает, что пришел конец изучению истории обитателей этих островов. Тур Хейердал показал весьма практическим способом, что переселение могло происходить со стороны цивилизации инков в Южной Америке. Точно такие же плоты, как «Кон-Тики», вполне могли быть построены и спущены на воду много веков назад, чтобы соединить маленькие группки людей, разделенные теперь тысячами километров океана. Поразительные статуи острова Пасхи окончательно утвердили Хейердала в этом мнении. Но, конечно, существует много признаков того, что основная часть переселения шла шее же из Юго-Восточной Азии.
Знаменитый маориец сэр Питер Бак был директором музея Бишопа в Гонолулу, когда «Челленджер» заходил в Пирл-Харбор, и он объяснил нам, почему большинство исследователей отдают предпочтение гипотезе о миграции населения через Тихий океан в восточном направлении. Было собрано огромное множество фактов, которые помогли понять связи народов сотен островов, и все они указывают на то, что переселение шло с запада на восток. Представить себе способ, которым люди могли пересекать огромные морские расстояния, не составляет никаких трудностей, так как большие военные каноэ (образцы которых можно увидеть в Оклендском музее), как известно, во время военных походов покрывали большие расстояния между островами.
Навигационная техника жителей Океании также не представляет собой никакой тайны. Покойный Гарольд Гетти, который был штурманом при первом перелете Вилли Поста через Тихий океан, провел много лет в своем очаровательном домике на Фиджи, изучая приметы, созданные природой в помощь внимательному путешественнику на морских дорогах океана. В самом деле, ведь птицы находят дорогу домой — к тем местам, где они вьют гнезда и выводят птенцов, по-видимому, с помощью каких-то достаточно надежных физических признаков. Так почему бы и человеку не следовать тем же приметам? Гетти удалось настолько блестяще объединить древний фольклор и обычные навигационные принципы, что во время войны его официально попросили написать книгу, которая .помогла бы потерпевшим аварию морякам и летчикам находить дорогу к суше.
Так что в области естественной истории всегда можно узнать что-то новое, даже если это будут и не такие открытия, как открытия Дарвина на Галапагосских островах. Каждый человек получает пользу от знакомства с другими цивилизациями, поскольку он может видеть, как другие народы преодолевали свои жизненные трудности. Таким путем экспедиции помогают образовать ядро интернационально мыслящих людей, среди которых, по характеру их профессии, моряки, нефтяники и океанографы образуют особенно крепкую группу людей, способных понимать и относиться с уважением к убеждениям других людей, несмотря на то, что они могут отличаться от их собственных убеждений.
В связи с ростом народонаселения земного шара и быстрым увеличением оперативности сообщений между различными пунктами стало необходимым проявлять значительно больше терпимости и сочувствия к убеждениям и привычкам других народов, чтобы сохранить цивилизацию от гибели.
Поиски знаний ради знаний были для пас прекрасной рекомендацией, и обеспечили «Челленджеру» радушный прием во всех уголках земного шара. Наши новые друзья и знакомства совершенно безошибочно продемонстрировали, что во всех нациях и во всех обществах есть люди хорошие и плохие, приятные и неприятные и что в общем соотношение тех и других повсюду примерно такое же, как и в Англии.
«Челленджер» вырвался из Панамского канала, подобно пробке из бутылки, так как необходимо было набрать полную скорость, чтобы преодолеть сильное встречное течение. Тихий океан оказался достойным своего названия — после борьбы с волнами в Атлантическом океане мы увидели спокойную и ясную солнечную погоду. Некоторые наиболее простодушные ученые думали, что теперь наступает год превосходных сейсмических экспериментов, и уже собирались взять на борт побольше глубинных зарядов, чтобы недостаток взрывчатки не ограничил возможностей работы.
Однако Тихий океан может быть очень бурным — в такой же точно степени, как и любой другой океан,— особенно на севере, где как раз и должен был проходить наш маршрут. И хотя результаты проведенных здесь сейсмических исследований должны были лечь в основу построения общей геологической картины океанического дна в масштабах всего земного шара, число станций, на которых удалось провести успешные сейсмические исследования, оказалось значительно меньше, чем ожидалось первоначально.
Большую часть времени, затраченного нами на путешествие из Ванкувера в Гонолулу и из Гонолулу в Адак на Алеутских островах, море было не только чрезвычайно бурным для проведения сейсмических работ, но и решительно неудобным даже просто для нормальной жизни. Чтобы в офицерской кают-компании не соскальзывали со стола тарелки, устанавливались специальные клетки, а сами столы приходилось привязывать к переборке. Канадский крейсер «Онтарио», который следовал за «Челленджером» из Эскимальта, перенес такую жестокую борьбу с волнами, что одна из его спасательных шлюпок была смыта за борт. Временами кок не мог приготовить ничего, кроме тушеного мяса, которое для безопасности ели из оловянной посуды.
Хотя такая бурная погода действовала изнуряюще, это было вместе с тем хорошей закалкой; главной бедой была невозможность проводить какую-либо научную работу. В такую ужасную погоду приятнее всего было войти в гавань, и бурное плавание имело уже то преимущество, что позволяло потом с чистой совестью наслаждаться отдыхом на берегу.
Сокорро — небольшой островок, лежащий в нескольких сотнях миль от мексиканского побережья, и в течение нескольких часов наш корабль стоял между Сокорро и соседним с ним островом Сан-Бенедикто, чтобы взять пробы воды. Море было зеркально-гладким, и спокойствие этой мирной картины, с голубым небом и островами, подымающимися в зеленоватой дымке на заднем плане, лишь слегка нарушалось пыхтением паровой лебедки, вытягивавшей наверх батометры с водой.
Редко представляется возможность проводить эксперименты в таких хороших условиях, и это еще больше подчеркивает те трудности, которые постоянно приходится преодолевать во всех океанографических работах. Сравнительно легко проводить сложные эксперименты, когда корабль стоит спокойно. Однако при работе с качающейся палубы все ответственные части приборов должны быть хорошо защищены от брызг воды и от качки. Любая остановка, вызванная повреждением механизмов, легко может явиться .причиной целого ряда нежелательных последствий, которые испортят наблюдения.
С моря остров Сокорро выглядел очень привлекательно. Он необитаем, если не считать тысяч овец, которые бродят повсюду на 60 кв. милях его пересеченной поверхности. Овцы — это следы посещения острова предыдущей экспедицией. В XVIII—XIX вв., когда на кораблях еще не имелось холодильников, на борт часто брали живой скот, чтобы дополнить запасы солонины свежей мясной пищей. Считалось добрым делом оставлять некоторое количество европейских животных на изолированных островках в океане: отчасти несомненно для того чтобы поощрить колонизацию, довольно популярную в то время среди англичан, а также (что еще важнее) в качестве заботы о потерпевших крушение моряках.
С точки зрения естественной истории эта процедура имеет и достоинства и недостатки. Интересно проследить воздействие чужеродных видов на гармоничное население, которое сформировалось в результате столетий спокойного развития. Например, прибытие людей на Галапагосские острова привело к превращению доверчивых и необыкновенно дружелюбных птиц в пугливые и застенчивые существа, подобно тем, какие можно видеть в Англии. Овцы прижились и стали размножаться на Сокорро благодаря подходящему климату, обильной пище и отсутствию хищных животных. Со временем естественные причины, разумеется, сыграют свою роль, и прожорливые животные будут поедать растительность на острове быстрее, чем она сможет быть восстановлена. А если уж этот процесс начался, его ничто не остановит, и дело может дойти до превращения острова в почти пустыню. Этот обратный процесс можно в настоящее время наблюдать в некоторых частях Среднего Востока. Человек с его стадами коз и верблюдов уничтожает растительность: деревья — на древесный уголь, более мелкие растения — на корм скоту. И постепенно бесплодные равнины расширяются, подбираясь к предгорьям и выше, к горным пастбищам.
Даже такая невинная колонизация, как ввоз воробьев на Гавайи, принесла ущерб местной фауне, так как в результате скрещивания воробьев с местными маленькими птичками, которых видел Муррей в XIX в., эти первоначально ярко-красные птички превратились в тускло-коричневых. По мнению океанографов, такой вред чаще всего бывает непоправимым.
Во многих случаях новые обитатели приживались еще до того, как начали проводиться тщательные исследования и были описаны в своем неизменном виде местные фауна и флора. И поэтому к тому времени, когда становится возможным научный сбор данных, свидетельства о миграции жизни от одного континента к другому и к отдельным изолированным островам сами по себе уже запутанны и неопределенны. Только в таких случаях, как гибель древнего острова при извержении Кракатау и последующий рост нового острова, можно получить действительно реальные доказательства того, каким образом происходило преодоление водных расстояний. Но здесь время, прошедшее считая от новой отправной точки, очень мало, и вряд ли могло успеть произойти что-либо интересное. Однако в случае с Кракатау и нескольких лет хватило, чтобы наблюдать прибытие пауков и необычных овощных культур. И всего этого уже достаточно, чтобы делать предположения о том, какой тип колонизация может здесь иметь место, при условии что будет «достаточно времени» для того, чтобы случайное действие океанических течений и ветров успело дать свои результаты.
С другой стороны, история Земли неизгладимо записана в геологической летописи и никакие усилия человека в прошлом не могли изменить ее. Сотни миллионов лет назад, когда происходило первоначальное отложение слоев разных пород, могли существовать другие физические условия, например скорость 'вращения Земли и интенсивность выделения радиоактивного тепла в глубинных породах, возможно, были не такими, как сейчас, но за последний период порядка нескольких столетий безусловно никаких изменений произойти не могло. Поэтому оставшиеся до наших дней записи геологической летописи и сейчас столь же ясны, как и раньше, и они смогут подождать, пока океанографам удастся усовершенствовать свои приборы и проникнуть в смысл геологических событий.
Как мы видели, Тихий океан, по-видимому,— уникальное явление среди всех океанов земного шара. Некоторые даже предполагали, что он представляет собой шрам, оставленный Луной, когда она оторвалась от Земли и унесла с собой часть континентальной коры, одно время покрывавшей всю земную поверхность. С другой стороны, возможно, что Тихий океан—наиболее древняя из покрытых водой территорий на Земле, поскольку другие океаны могли образоваться как вторичные впадины при расползании континентов. Нам повезло, что большую часть времени «Челленджер» провел именно в Тихом океане и что сейсмические станции удавалось располагать в таких местах, где под океаническим дном залегали различные типы геологических структур.
По мере того как месяц за месяцем накапливались результаты сейсмических исследований, становилось очевидным, что геологическое строение дна океанов земного шара весьма сходно. Само ложе океана обычно покрыто глиноподобными осадками, которые продолжаются вглубь на несколько тысяч футов. О значении этих отложений в связи с историей Земли будет говориться в следующей главе. Нижняя часть осадочной толщи, как показывают сейсмические измерения, представлена породами средней плотности; они также будут подробно рассматриваться позднее под несколько расплывчатым, но общепринятым названием «второго слоя».
Под осадками и «вторым слоем» залегают действительно плотные породы первородного океанического дна. Пожалуй, самым поразительным результатом всех сейсмических наблюдений является доказательство повсеместного присутствия этого слоя, в котором скорость упругих волн 6,7 км/сек. Слой с этой же самой скоростью найден как в Тихом, так и в Атлантическом и Индийском океанах, и результаты свыше ста измерений, произведенных по всему земному шару, хорошо согласуются с указанной цифрой. Как бы ни отличались места, в которых был обнаружен этот слой, нет почти никаких сомнений в том, что он сложен сходным материалом и является одной из важнейших составных частей земной коры.
Если провести аналогичные наблюдения в материковых областях земного шара, то можно обнаружить, что при переходе от осадочной толщи к плотным породам фундамента также имеется переходный слой. Однако глубина залегания фундамента равна не нескольким тысячам футов, как это найдено в океанах, а изменяется от нескольких тысяч футов до нуля в тех местах, где породы фундамента выходят на поверхность в виде обнажений. Кроме того, скорость упругих воли в породах континентального фундамента варьирует в гораздо более широких пределах, чем в соответствующих океанических породах.
Величина скорости 6,7 км/сек для пород фундамента под дном океанов сама по себе уже способствует дальнейшему выяснению геологического строения земной коры. Хотя в гл. III отмечалось, что скорость упругих волн в горных породах не может однозначно определить породу, в данном случае она существенно ограничивает все возможные предположения либо плотной породой типа известняка, либо основной кристаллической породой типа габбро.
Скорость 6,7 км/сек определенно превышает значения, найденные для любых кислых или осадочных пород, за исключением очень плотного известняка. В то же время маловероятно, чтобы мощный слой плотного известняка имел планетарное распространение. Такой непрерывный слой не обнаружен даже на континентах, где мощные толщи известняка ограничены осадочными структурными бассейнами, образованными породами кристаллического фундамента.
Кроме этих геологических доводов, имеются веские физические причины полагать, что слой со скоростью 6,7 км/сек скорее всего сложен основной породой. Во всех океанических экспериментах обнаружено, что в породах слоя со скоростью 6,7 км/сек упругие волны распространяются очень хорошо: небольших зарядов в несколько десятков килограммов уже достаточно, чтобы на расстояниях до 40—50 миль получить ясные звуковые импульсы. Глубинные слои известняка на суше часто являются потенциально нефтеносными, и, чтобы определить глубину залегания таких слоев, проводилось очень много сейсмических измерений. Как обнаружили при этом, упругие волны сравнительно быстро затухают в известняках с увеличением расстояния от пунктов взрыва до приемного прибора, и, чтобы произвести запись на расстояниях 10—20 миль, требуется уже несколько тонн взрывчатки.
Такая заметная разница в способности кристаллических пород и известняка пропускать упругие волны не только хорошо подтверждена фактическими наблюдениями в поле. Этого также следует ожидать, исходя из результатов лабораторных измерений затухания звуковых волн в названных двух типах пород. К тому же известняк часто бывает разбит трещинами и пересечен глинистыми прослойками, что делает его очень плохой средой для распространения упругих волн по сравнению с твердыми кристаллическими породами.
Информация, полученная с помощью сейсмических экспериментов на море, не исчерпывается сведениями о том, что океаническое дно сложено основными изверженными породами. Слой со скоростью 6,7 км/сек подстилается другим слоем, который можно обнаружить сейсмическим методом преломленных волн. Упругие волны распространяются в этом слое со скоростью 8,1 км/сек. Расчеты, основанные на полном времени пробега волн, показывают, что он залегает на глубине 10—12 км от поверхности воды. Поскольку средняя глубина океанов равна 4—5 км, это означает, что слой 8,1 км/сек находится на глубине около 6 км под поверхностью дна океана.
Этот слой можно проследить от глубоких частей океанов до мелководья. Обнаружено, что глубина его залегания увеличивается по мере приближения к континентам и под самими континентами достигает 30—40 км, т. е. более чем в три раза превышает глубину залегания его под океаном.
На рис. 3 показано, как происходит сочленение океанических и континентальных структур. Слой 6,7 км/сек, который является универсальным элементом «океанической структуры», показан как непрерывный слой, соединяющий океан и континент, хотя его присутствие под материками установлено не так уверенно, как под океаном. В то же время относительно непрерывности слоя 8,1 км/сек нет никаких сомнений2. Огромный интерес вызвали уже результаты самых ранних глубоководных сейсмических исследований, показавшие, что этот слой залегает в океане на сравнительно небольшой глубине: 10—12 км от водной поверхности.
О существовании слоя 8,1 км/сек, безусловно, предполагали, и одной из главных задан сейсмических работ на море как раз и было найти Мохо (Мохо — сокращенное название границы Мохоровичича, как (принято называть поверхность раздела между земной корой и мантией). Мантия представляет собой мощную толщу пород, протягивающуюся почти на половину земного радиуса к центру Земли и окружающую жидкое ядро.
Волны от землетрясений обычно распространяются по мантии, и уже в начале нашего века все сейсмологи знали величину 8,1 км/сек как скорость, с которой сейсмические волны распространяются в мантии вокруг всего земного шара. В 1909 г. А. Мохоровичич изучал записи землетрясения, которое произошло в долине Калпа в Кроатии, и обнаружил, что кроме хорошо известных волн мантии существуют волны, распространяющиеся со скоростью меньше 8,1 км/сек. Мохоровичич совершенно правильно объяснил эти результаты тем, что данные волны распространяются в породах земной коры. С помощью тех же рассуждений, что применяются при обработке данных метода преломленных волн, он подсчитал, что в Южной Европе слой 8,1 км/сек залегает на глубине приблизительно 50 км. Кровля этого слоя — очень важная особенность внутреннего строения Земли, и для удобства (хотя некоторые могут в этом усомниться) обозначается именем ее открывателя.
После того как было показано, что волны от землетрясения можно использовать для того, чтобы различать породы коры и мантии, производилось много измерений толщины земной коры. Было найдено, что первое значение глубины поверхности Мохоровичича, определенное им самим, несколько выше средней толщины коры для континентов. О глубине Мохо под океанами удавалось лишь строить предположения, так как невозможно было проводить сейсмические наблюдения с помощью группируемых на близких расстояниях сейсмографов на территориях, где единственными площадками для установки приборов могли служить острова, расстояния между которыми были достаточно велики.
Естественнее всего было предположить, что земная кора непрерывна и одинакова по всему земному шару. Тот факт, что на протяжении истории Земли континенты, очевидно, неоднократно затоплялись водой, привел к всеобщему убеждению о непрерывной смене суши и моря. Романтические рассказы о пропавшей Атлантиде, несомненно, подогревали эти идеи, но они были неверными.
В настоящее время у нее никто не сомневается, что глубина поверхности Мохоровичича под океанами раза в три меньше, чем под континентами. Таким образом, земная кора под океанами оказывается очень тонкой и утолщается по мере приближения к суше. Следовательно, хотя материки и могут двигаться вверх и вниз и временно затопляться мелководными морями, — в это время и происходит образование осадочных горных пород, — они коренным образом отличаются от океанов. Ложе глубоких океанов никогда не было сушей, а всегда оставалось покрытым слоем воды толщиной в несколько километров.
Задолго до того как сейсмические измерения на море указали на исключительно малую толщину земной коры под океанами, о различиях между строением Тихого океана и окружающей его суши можно было судить по геологическим данным. Тщательное изучение материала, выброшенного при извержении вулканов в Тихом океане и вокруг него, показало, что из недр Земли были исторгнуты два резко различающихся типа пород — основные порода в океанах и кислые на суше. Многие из тихоокеанских островов сложены вулканическими породами, и даже те, которые, как кажется на первый взгляд, состоят из осадочного материала, имеют вулканические корни. Поэтому на карте можно отметить, является ли данный остров по характеру слагающих его пород основным или кислым.
В результате исследований было выяснено, что существует весьма закономерная картина, и можно провести «андезитовую линию», отделяющую область распространения основных пород на большей части Тихого океана от окаймляющей его полосы кислых пород, граничащей с континентами. Андезитовая линия показана на карте, приведенной на внутренней стороне обложки книги. Дальше мы увидим, что такие места, как Филиппинская котловина и область к северо-востоку от Новой Зеландии, находящиеся на обращенной к материкам стороне от этой линии, представляют особый интерес.
Андезитовая линия получила свое название от кислых пород, найденных в Андах. Последние представляют собой высокогорную цепь, проходящую по западному побережью Южной Америки и но существу разделяющую океан и материк.
На .внутренней стороне обложки обозначены также сейсмические станции экспедиции «Челленджера». Некоторые из них расположены в сторону океана и некоторые — в сторону суши от андезитовой линии. На основе анализа полученных результатов нам стало вскоре очевидно, что геологические структуры океана разделяются на две различных группы. А когда мы изучили положение отдельных станций в каждой из групп, то обнаружили, что эти две группы как раз и соответствуют старому геологическому делению, основанному ша концепции андезитовой линии.
На океанической стороне от этой линии наблюдался типичный слой 6,7 км!сек, перекрываемый сравнительно тонким слоем наносов с малой скоростью. На материковой стороне от нее первый главный слой, который удалось обнаружить, характеризовался значительно меньшей скоростью — от 5,8 до 6,0 км!сек. Глубина слоя 8,1 км/сек в океанах оказалась опять-таки меньше, чем на обращенной к суше стороне от андезитовой линии.
Простое теологическое строение глубоких областей океана нарушается вблизи островов и других крупных форм рельефа, подымающихся над ложем океана, но этого и следовало ожидать. Все эти формы рельефа в Тихом океане имеют вулканическое происхождение, и вокруг них, естественно, располагается большое количество пород с относительно малой скоростью распространения упругих воли. На самом острове Гавайи, например, имеется много молодых лавовых потоков, и на некоторых из образцов пород, отобранных из этих потоков, проводились лабораторные измерения. Эти измерения дали значения 4,3—4,5 км/сек. При глубоководных сейсмических исследованиях, проводившихся вблизи тихоокеанских островов, наблюдались скорости такого же порядка. Кроме того, в этих случаях слой 6,7 км/сек залегает глубже, чем на плоских участках океана, удаленных от островов и подводных гор.
Однако за исключением этих островных структур, возвышающихся над ложем океана, геологическое строение дна Тихого океана чрезвычайно просто, вплоть до андезитовой линии. Зато с другой стороны от этой линии геологическое строение становится гораздо более сложным, а как только мы переходим к самим материковым массивам, наблюдается резкое увеличение глубины поверхности Мохоровичича, как это показано на рис. 3.
В последнее время был проведен ряд детальных экспериментов с целью определения структуры слоев, слагающих континенты. Было время, когда об океанах в этом отношении знали больше, чем о континентах: хотя первые сейсмические работы по изучению волн от землетрясений и дали приближенное представление о геологическом строении глубоких частей континента, но получаемые тогда результаты были .недостаточно точными. Когда же тщательные морские сейсмические исследования продемонстрировали огромное отличие в строении земной коры под океанами от того, которое можно было ожидать по изучению континентов, наступило время всесторонней проверки старых данных, основанных на изучении землетрясений.
Два обстоятельства делают сейсмологические данные неточными. Во-первых, мы редко знаем точное положение очага землетрясения. Иногда по сильным разрушениям городов и сел или по разломам земной поверхности можно определить центр возмущения. Но часто мы не имеем подобных четких проявлений, пли же они происходят на расстоянии многих километров от населенных пунктов и их трудно заметить.
Во-вторых, при землетрясении неизвестно точное время возникновения толчка. Надежда на то, что землетрясение возникнет вблизи сейсмической обсерватории, чрезвычайно слаба, а поэтому время его возникновения нужно вычислять, насколько это возможно, по наблюдениям, сделанным с помощью сейсмографов на расстоянии сотен километров от центра толчка. Совместное действие ошибок от неточного определения места и времени землетрясения эквивалентно приблизительно двум секундам пробега сейсмических волн до регистрирующей станции. А поскольку эти волны распространяются со скоростью 6—8 км/сек, это может дать ошибки в определении глубины порядка десяти километров.
Чтобы улучшить получаемую информацию о геологическом строении пород, образующих континентальную кору, нужно, по всей видимости, провести на суше сейсмические эксперименты, подобные тем, которые выполняются в океанах.
Однако на суше такие эксперименты более сложны. Во-первых, поверхность Мохо (т. е. слой 8,1 км/сек, отмечающий подошву коры) под континентами залегает более чем в три раза глубже, чем под океанами. Это означает, что для того, чтобы обнаружить Мохо сейсмическим методом преломленных волн, необходимо регистрировать вступления волн от взрывов на расстояниях порядка по крайней мере 150 км вместо 40—50 км, достаточных в океанических экспериментах. Интенсивность упругих волн уменьшается по мере их удаления от пункта взрыва. На суше такое затухание волн обычно гораздо сильнее, чем в океанах, так как горные породы континентальной коры не так однородны, как твердый плотный слой 6,7 км/сек, слагающий первородное океаническое дно. Кроме того, существенная часть 10-километровой толщи, покрывающей Мохо в районе океанов, состоит из воды. А вода пропускает упругие волны с гораздо меньшим их ослаблением, чем любая порода.
Есть еще одна трудность в проведении сейсмических экспериментов на суше. Известно, что взрывы, произведенные в воде, дают гораздо более сильные сейсмические импульсы, чем заряды такой же величины, взорванные под землей. Во всяком случае, гораздо легче сбросить глубинный заряд с борта корабля, чем бурить скважину и набивать ее взрывчаткой. Сочетание меньшей эффективности взрыва с необходимостью регистрации на значительно больших расстояниях означает, что на суше нужно производить взрыв от десятков до сотен тонн, в то время как на море достаточно полусотни килограммов.
Теперь уже легко понять, что с помощью сейсмических экспериментов не так-то просто определить глубину Мохо на суше. Иногда работы методом преломленных воли выполняются на суше нефтяными компаниями, но расстояние в этом случае ограничивается обычно примерно 20 км. В Иране, например, для приема преломленных волн на таком расстоянии требовалось несколько тонн сильного взрывчатого вещества. Отчасти это объясняется тем, что взрыв производился в мелкой скважине, вырытой ручным способом и, следовательно, недостаточно эффективной, а отчасти тем, что преломленные волны плохо распространялись в известняках, которые в этих экспериментах как раз и служили преломляющим слоем.
Чтобы увеличить расстояние, на котором можно обнаружить сейсмические волны при разведочных работах, хотя бы в десять раз, почти необходимо иметь правительственную поддержку3. И действительно, одни из первых экспериментов с крупным взрывом на суше был выполнен военными. В 1947 г. большое количество взрывчатых веществ было взорвано Британским флотом в складах и укреплениях на острове Гельголанд. Заряд содержал почти 4000 тонн взрывчатки и сейсмические волны регистрировались даже в Пюи-де-Дом, т. е. более чем в 1000 км от места взрыва. Слой 8,1 км/сек легко удалось выявить на расстояниях более 120 км, и, как оказалось, в области северо-западной Европы он залегает на глубине порядка 30 км. Хотя наблюдения велись во многих различных местах, в отношении скорости распространения сейсмических волн в слоях земной коры осталась некоторая неопределенность. Что касается глубины, то точность ее определения улучшилась по сравнению с анализом волн от землетрясений примерно до 2 км.
Обычно взрывы в контролируемых условиях бывают не так велики, как на Гельголанде, но в результате полезного сотрудничества с владельцами карьеров в США удалось регулярно получать достаточно сильные взрывы. Распространенным методом работ в карьере является подрывание длинного участка поверхности породы путем одновременного взрыва многих зарядов. В этом случае получается экономия взрывчатки, так как разрушительное действие каждого заряда усиливается действием соседних зарядов.
Заряды величиной порядка 10—20 тонн взрывают с довольно правильными интервалами, и сейсмологи имеют возможность неделями записывать колебания на различных расстояниях от пункта взрыва. Передача по радио сигналов момента взрыва от взрывной машинки, находящейся в карьере, к автомобилю с сейсмостанцией, где производится запись показаний сейсмографов, не вызывает больших трудностей. С помощью взрывов в карьерах на различных участках было найдено, что в значительной части североамериканского континента Мохо залегает на глубине около 40 км ниже уровня моря.
Один из наиболее тщательно разработанных планов проведения сейсмических экспериментов в больших масштабах был связан с использованием крупного инженерно-строительного проекта в Канаде. Более тысячи тонн бризантного взрывчатого вещества было заложено в специально сооруженные туннели под скалой Рипл-Рок, которая многие годы представляла серьезную опасность для судоходства в проливе, отделяющем остров Ванкувер от материка.
Момент .взрыва должен был передаваться по радио к ряду передвижных сейсмических станций, установленных в Скалистых горах вдоль полотна Канадско-Тихоокеанской железной дороги. Кроме главного взрыва, производилось два дополнительных под водой к северу и югу от острова Ванкувер. Эти подводные взрывы имели величину лишь одну — две тонны, но были более эффективны, чем те, которые использовались для подрыва скалы Рипл-Рок, и регистрировались многими сейсмографами, а также специальным сейсмографом, помещенным около самой Рипл-Рок.
Наблюдений воли от одного только главного взрыва было достаточно, для того чтобы определить глубину слоя 8,1 км/сек, залегающего под границей Мохо, точно так же, как и в случае морских сейсмических экспериментов. Однако при работах по методу преломленных волн по существу всегда определяется сумма глубин под точкой взрыва и под регистрирующим прибором. Это станет понятно, если взглянуть на рис. 1. Если слой 8,1 км/сек залегает горизонтально, его точную глубину можно получить, разделив эту сумму пополам. Но если глубина Мохо изменяется, — и этого следует ожидать под крупными горными хребтами, — тогда, чтобы узнать, какая часть общей, суммарной глубины приходится на толщу под пунктом взрыва и какая — под приемниками, необходима дополнительная информация.
Напомним, что при работах на море такая дополнительная информация получается путем регистрации нескольких взрывов при обратном прохождении профиля. В канадских экспериментах взрывы, произведенные в море, отстояли от сейсмографов и от Рипл-Рок приблизительно на равные расстояния, так что они давали сведения для оценки разницы в толщине пород в этих двух точках. Эти данные вместе с суммой мощностей, определенной по главному взрыву, дают возможность устранить всякую неопределенность и вычислить конкретные глубины.
Следует сделать лишь одну оговорку о применении этого метода. Вспомогательные морские взрывы нужно было производить на достаточном удалении, чтобы быть уверенным в том, что горизонтальная часть пути волн, регистрируемых сейсмографом у Рипл-Рок, лежала в слое 8,1 км/сек, а не в покрывающих его слоях коры. Чтобы определить минимальное расстояние, необходимое для обеспечения этого условия, проводились предварительные эксперименты.
Целая серия исследований была проведена для изучения корней другой крупной горной цепи. В 1958 г. французская армия произвела в Альпах серию больших взрывов, которые регистрировались отрядами наблюдателей из пяти различных европейских стран. Для организации и проведения крупных взрывов требуются большие усилия и огромные затраты. Поэтому на исследуемой площади было собрано столько ведущих регистрацию отрядов, сколько возможно, чтобы данные по каждому взрыву можно было использовать в полную меру.
Различные партии вели наблюдения вдоль трех главных линий. Эти линии шли от пункта взрыва в небольшом озере Негр вблизи франко-итальянской границы, примерно в 30 милях прямо на север от Ниццы, через Францию и Италию в Швейцарию. Было произведено восемь взрывов бризантной взрывчатки от 100 кг до 20 тонн. Хорошие записи от самого сильного взрыва получились на расстоянии 185 миль, в Гадмене, недалеко от перевала Зустен в швейцарском Оберланде.
Хорошую слышимость на таком огромном расстоянии для сравнительно небольшого заряда нельзя приписать чрезвычайно спокойным фоновым условиям, существующим в горах, так как громоздкость регистрирующей аппаратуры заставляла работать довольно близко от дороги. Более того, взрывы производились почти в середине дня, когда по дороге шло оживленное движение. Ближайший транспорт, конечно, останавливали на время эксперимента, но все равно оставался шум, связанный с человеческой деятельностью и радиусе одной-двух миль. Хорошее качество записей, несомненно, частично было обязано тому, что взрывы производились под водой, а не в горных породах. Это хорошо согласуется с наблюдениями на море. Правда, озеро было недостаточно глубоким, чтобы помешать выбросу огромного столба воды в воздух, и результаты получились бы, безусловно, еще лучше, если бы озеро было глубже и энергия взрыва не расходовалась зря на выбрасывание воды. Но даже и не очень глубокое озеро использовать гораздо лучше, чем копать или бурить скважины в породах для помещения больших зарядов.
Другой причиной того, что сейсмические волны ясно наблюдались на большом расстоянии, было, очевидно, хорошее прохождение волн в плотных кристаллических породах, из которых сложены Альпы. Точки наблюдения располагались по возможности там, где центральное ядро твердых коренных пород Альп выходит на поверхность, а не там, где в результате эрозии, денудации и переотложения коренные горные породы покрыты гетерогенным материалом.
Кроме соображений о лучших условиях прохождения волн, всегда желательно располагать сейсмограф на поверхности коренных пород еще и потому, что если скорость волн в толще пород между сейсмографом и залегающим на глубине слоем 8,1 км/сек сильно изменяется, то на результаты расчетов при определении глубины Мохо могут оказать влияние неучитываемые ошибки.
В альпийских экспериментах было произведено несколько взрывов в озере. Некоторые наблюдательные отряды проводили измерения вблизи пункта взрыва с приборами, специально предназначенными для обнаружения отраженных волн. Большинство же направило свои усилия на получение непрерывного ряда записей преломленных волн. По мере увеличения силы взрывов эти последние отряды передвигались на все большие расстояния.
Аналогичные эксперименты были проведены в СССР в Уральских горах. Здесь также использовалась хорошая передача сейсмических волн от подводных взрывов. Экспедиция в Аиды обнаружила, что ее работы облегчаются чрезвычайно слабым фоном шумов и что благодаря этому сейсмические волны, которые в обычном случае были бы неизбежно осложнены этими мешающими колебаниями, легко удавалось выделить.
Наиболее спокойный фон, наблюдавшийся в Англии, соответствует смещению грунта приблизительно в одну стомиллионную дюйма. Чтобы достичь такого спокойного уровня, нужно находиться более чем в пяти милях от любого места человеческой деятельности. Это не так-то легко осуществить в густо населенных европейских странах. Но даже и в местах, удаленных от человека, самый низкий уровень помех достигается, как правило, только ночью, когда спокойна атмосфера.
В Андах этот уровень оказался равным одной десятой нормального самого спокойного уровня, т. е. одной миллиардной дюйма. Хотя в Альпах в дневное время фон шумов был гораздо сильнее, приборы в Андах должны были быть весьма чувствительными, так как полезные звуковые импульсы, вступающие в виде преломленных волн, смещали почву лишь на одну миллионную дюйма.
Сейсмографы — или геофоны, как их обычно называют, когда они применяются для полевых работ, обычно связанных с нефтяной разведкой, — содержат индуктивную катушку, которая перемещается относительно магнита. Катушка и магнит соединяются посредством пружин. Жесткость последних определяется частотным диапазоном, в котором прибору предстоит работать, а также массой подвижного элемента, которым может быть или катушка, или магнит.
Электрическая схема сейсмографов аналогична схеме радиорепродуктора. Даже очень слабые электрические сигналы, вызываемые сейсмическими волнами, принимаемыми на больших расстояниях, можно усилить настолько, чтобы записать их на полосе движущейся фотобумаги.
Одно из современных усовершенствований состоит в записи сигналов геофона на магнитную ленту. Преимущество записи на магнитной ленте заключается в том, что запись может быть впоследствии воспроизведена в лаборатории и с помощью специальных фильтров можно устранить влияние нежелательных помех и выделить более четко полезные волны, точно так же, как в радиоприемнике можно улучшить звучание голоса певца, поющего басом, путем настройки регулятора тембра.
Самыми сильными искусственными землетрясениями, зарегистрированными сейсмологами, являются, конечно, взрывы атомных и водородных бомб. Атомные бомбы, как установлено, эквивалентны примерно 10—20 тыс. тонн бризантного взрывчатого вещества, а водородные бомбы — около 1 млн. тонн. Поэтому можно ожидать, что от взрыва этих бомб будут распространяться сейсмические волны, которые можно распознать на общем фоне помех на расстояниях не только сотен, но и тысяч миль.
Очень жаль, что американцы сообщали о предстоящих ядерных взрывах только своим (по-видимому, в целях соблюдения военной тайны) сейсмологам. Но все-таки некоторая польза от этих взрывов, несомненно, была, и полученные результаты когда-нибудь будут доступны всем. Однако ничто уже не вернет сейсмологам других стран утраченной ими возможности регистрировать взрывы на больших расстояниях, если бы время и место испытаний были объявлены заранее.
Имеются сведения о том, что взрыв водородных бомб может быть обнаружен почти на противоположной стороне земного шара. Такие длинные пути пробега сейсмических волн интересны тем, что связаны с проникновением в недра Земли даже глубже границы Мохо, которой главным образом посвящена настоящая глава. В частности они могут быть полезны при изучении жидкого ядра Земли. Последнее представляет собой внутреннюю сферу радиуса примерно 3100 км, которая в свою очередь окружена мантией и тонкой кожицей земной коры.
Измерения сейсмических волн от землетрясений показали, что ядро находится в жидком состоянии, но остаются еще сомнения относительно возможности существования твердой части внутри этого жидкого ядра. Чтобы разрешить этот вопрос и лучше узнать свойства мантии и жидкого внешнего ядра, необходимы более точные наблюдения удаленных сейсмических волн, чем те, которые возможны при землетрясениях.
Во-первых, при вычислении времен пробега мы делаем ошибку из-за неточности определения времени и положения очага землетрясения. Это и явилось главной причиной того, что для уточнения информации о поверхности Мохо стали использовать искусственные взрывы. Кроме того, как мы видели в гл. II, общая картина строения земных недр определяется совместным анализом эффектов, производимых слоями с различными скоростями.
Тут уже необходима специально разработанная программа экспериментов, причем эпицентры и точки наблюдений должны располагаться на критических расстояниях, чтобы мы сумели сделать правильный выбор из различных возможностей, предсказываемых теорией, и именно здесь действительно полезную роль могут сыграть водородные бомбы. Есть еще одно, более важное преимущество планируемых экспериментальных сейсмических наблюдений: регистрирующие станции можно заранее приводить в состояние готовности и принимать специальные меры, чтобы получать исключительно точные записи.
Испытания четырех бомб на атолле Бикини породили сейсмические волны, которые регистрировались даже в Греции и Австралии, и они рассматривались как землетрясения, так как никаких объявлений о взрывах не было сделано. Проводя обратные вычисления обычным способом, определили приближенное время начала каждого из этих четырех взрывов: нашли, что каждая из четырех бомб была взорвана в моменты начала круглой минуты с отклонением лишь в несколько секунд. Буллен сделал забавное предположение, что все четыре бомбы наверняка были взорваны в моменты начала минут, так как это производилось армией, а военные любят в таких делах аккуратность.
С этим допущением было найдено точное время моментов взрыва. Место взрывов было известно по опубликованным материалам, и таким образом была получена новая группа ценных данных. Эти данные, очевидно, когда-нибудь будут подтверждены официально. Но и их уже достаточно, чтобы показать, насколько могут быть полезны управляемые взрывы.
Было предложено включить некоторые специальные атомные взрывы в программу Международного геофизического года. Но исследователи ионосферы боялись, что это внесет дополнительные помехи в область их наблюдений. Некоторые интересные результаты были получены при английских экспериментах в Австралии и при взрыве небольшой атомной бомбы в горах Невады. Однако все это позволило получить новые данные лишь о земной коре. Чтобы получить информацию о внутреннем строении ядра, необходимо произвести взрыв водородной бомбы, и притом глубоко под землей или под водой.
Нет никакой опасности, что взрывы водородных бомб для сейсмических целей могут оказать какое-нибудь катастрофическое, например, раскалывающее действие на Землю. Природа производит гораздо более сильные взрывы, чем когда-либо пытался человек.
Огромное землетрясение при извержении Кракатау, например, было эквивалентно взрыву приблизительно 50 млн. тонн бризантной взрывчатки. Взрыв произошел потому, что извержение вулкана, которое обычно действует как предохранительный клапан, выпускающий из недр Земли избыточное давление расплавленной лавы, было как бы запечатано быстрым охлаждающим влиянием моря.
Давление внутри возрастало до тех пор, пока, образно говоря, котел не взорвался. На морском дне образовался кратер более трех миль в поперечнике, а приливная волна, высота которой оценивалась в сто футов, обрушилась на ближайшие берета Явы и Суматры.
Как размеры кратера, так и приливная волна позволяют оценить величину взрыва в эквивалентной величине заряда взрывчатки, так как и то и другое, как показали наблюдения, связано функциональной зависимостью с линейными размерами заряда. Хотя взрыв Кракатау повлиял на цвет закатного неба во всем мире из-за пыли, выброшенной высоко в атмосферу, и вызвал образование приливных воли, которые были отмечены по всему земному шару (когда эта волна обрушилась на берег Цейлона, ею была потоплена одна женщина), никаких признаков разрушения самой Земли все же не было. Можно возражать против использования водородных бомб для сейсмических целей по другим причинам, но в этом именно смысле никакой опасности нет.
Даже если сейсмические эксперименты никогда не проводятся с целью проникнуть в глубины земного ядра, они дают достаточно данных для выяснения строения внешних слоев Земли. Они являются как бы мостиком, соединяющим информацию, которую нам дают землетрясения и которую можно получить ,по геологическому изучению земной поверхности.
Земля имеет жидкое ядро, окруженное мантией твердых горных пород мощностью приблизительно 2900 км. С внешней стороны мантии находится кора, которая характеризуется сейсмической скоростью 0,7 км/сек. В районе континентов толщина коры в три раза больше нормальной. Нормальная толщина наблюдается в океанах, занимающих свыше двух третей земной поверхности. Раздел Мохоровичича, который является границей между породами коры и мантией, «продавлен» под континентами в соответствии с добавочной толщиной пород, слагающих континенты.
Континенты представляют собой массы более легких пород, плавающих на материале мантии. В прошедшие геологические эпохи континенты, несомненно, испытывали вертикальные движения. Об этом свидетельствует присутствие на континентах многих типов осадочных пород, которые не могли отложиться ни в каких иных условиях, кроме условий мелководного моря.
По-видимому, океаны в общем никогда не подымались вверх настолько, чтобы стать сушей, и их геологическое строение отлично от строения континентов и гораздо менее сложно. Дальнейшие свидетельства постоянства океанов можно найти, изучая осадки, покрывающие морское дно.
Примечания
1. Кава — напиток, приготовленный фиджийцами из корней перечного дерева; он обладает возбуждающим действием и целебными свойствами.
2. В последнее время установлена значительная неоднородность верхней мантии. Эта неоднородность отмечена по наблюдениям за искусственными спутниками Земли, а также при морских сейсмических исследованиях. Неоднородность мантии отмечается изменениями скоростей продольных сейсмических волн ниже раздела Мохоровичича от нормальной скорости, равной 8,1 км/сек, до 7,7 и 9,1 км/сек. С неоднородностью мантии связано, по-видимому, развитие различных структур земной коры.
3. Очень большой вклад в развитие глубинного сейсмического зондирования Земли сделан советскими геофизиками (см. Р. М. Демоницкая, Основные черты строения коры Земли но геофизическим данным. Гостоптехиздат, Д., 1961).