Для объяснения скачкообразного возрастания скорости волн на границе М выдвинуто две гипотезы. Согласно первой, оно обусловлено изменением состава пород: от предположительно габбро в нижней части коры до перидотита в верхней мантии. Согласно второй гипотезе, на границе М происходит фазовый переход в породах одного и того же химического состава: либо от эклогита (внизу) к габбро (вверху), либо от перидотита (внизу) к серпентиниту (вверху). Вторая гипотеза, хотя и очень привлекательная, не согласуется ни с экспериментальными данными по изучению образцов пород в условиях высоких давлений, ни с сейсмическими данными о строении коры и верхней мантии. Правда, не исключено, что граница М под океанами обусловлена фазовым переходом второго рода. В целом по мере накопления сведений о коре и верхней мантии значение, которое придавали границе М, постепенно уменьшалось.
Основные сведения о глубине границы М и скачке скоростей волн Р(VP) на ней дает глубинное сейсмическое зондирование методом преломленных волн. Эти работы редко позволяют получить значения скоростей поперечных волн VS. Поскольку фазовые и групповые скорости поверхностных волн в принципе определяются распределением скоростей волн S по глубине, то в случае отсутствия данных по преломленным волнам для определения глубины границы М можно использовать короткопериодные волны Лява и Рэлея. Дрейк и Нейф [5] собрали и обобщили имеющийся лгатериал по преломленным волнам (литературу по этому вопросу см. в работах Мак Коннелла и др. [161 и Косминской и Ризниченко [13]). Их выводы о региональных изменениях VР в коре и верхней мантии в целом согласуются с менее обширными данными по поверхностным волнам (см. статью Брюна. стр. 186). Под докембрийскими щитами, мало поднятыми над уровнем моря, и океаническими впадинами, расположенными далеко от тектонически активных хребтов, значения VР колеблются от 6,5 до 7,2 км/с в нижней части коры, возрастая до 7,8—8,5 км с в верхней мантии. Граница, у которой возрастает скорость, находится на глубине от 30 до 60 км под щитами и от 5 до 8 км под ложем океана. Модель распределения скоростей VS, согласованная с данными наблюдений поверхностных волн в этих районах, указывает на значения 3,7—3,8 км/с над границей М и 4,8 км с под нею. Оценки глубины этой границы находятся в пределах значений, получаемых по данным преломленных волн.
Океанические впадины и щиты представляют собой самые стабильные районы Земли. Для менее стабильных районов, таких, как окраины материков и альпийские орогенические пояса, видимо, характерен большой разброс скоростей и в коре и в верхней мантии. За границу коры при этом принимают кровлю слоя с VP=7,8 км/с. Хотя она обычно хорошо выражена, иногда на ней встречаются значения скорости между 7,2 и 7,8 км/с, что делает интерпретацию неопределенной. Соответствующая такой интерпретации мощность коры колеблется от 15 км под окраинами материков до по крайней мере 60 км под высокими горными хребтами. Модель для поперечных волн также указывает на наличие промежуточной (между мантийной и коровой) скорости 4,0 км/с для стабильных районов.
В очень нестабильных и тектонически активных областях, таких, как срединноокеанические хребты и Провинция бассейнов и хребтов в США, часто трудно выделить вступления преломленных волн; они могут соответствовать слою со скоростью 7,7 км/с и ниже [8, 15]. В модели распределения скоростей VS, построенной по наблюдениям поверхностных волн в таких районах, не отмечается повышения скорости между корой и слоем пониженных скоростей в верхней мантии. Вероятно, этот интервал глубин относится к породам верхней мантии, а не коры, хотя скорости волн там и малы. При такой интерпретации мощность коры под материками и океанами в тектонически активных областях меньше, чем в более стабильных. Таким образом, сравнительно большая высота Провинции бассейнов и хребтов и срединно-океанических хребтов изостатически скомпенсирована не за счет большей мощности коры, а за счет меньшей плотности верхней мантии. Рельеф границы М часто определяли по данным об ускорении силы тяжести [23]. При интерпретации исходили из предпосылки, что изменения поля силы тяжести связаны с изменением плотности при переходе через границу М. Полученный разрез можно было уточнять, опираясь на сейсмические данные о скоростях волн, однако исходным при этом было допущение о постоянной плотности верхней мантии. Как теперь установлено, это допущение несостоятельно, хотя все еще считается, что изменения плотности в верхней мантии имеют региональный, а не локальный характер. Таким образом, гравитационные измерения можно использовать при интерполяции данных глубинного сейсмического зондирования лишь в том случае, если эти данные не относятся к разным регионам.
Региональные изменения мощности коры могут быть связаны с полем напряжений. Под Провинцией бассейнов и хребтов граница М находится на меньшей глубине, чем в более стабильных областях материка, расположенных восточнее [19, 11]. Аналогичное соотношение справедливо и для срединиоокеанических хребтов и соседних океанических впадин [15]. В обоих случаях тектонически активные области, вероятно, подвергаются растяжению, поскольку там обычны сбросы. И наоборот, под областями, которые, по-видимому, испытывают сжатие, мощность коры больше обычной. На материках это явление хорошо изучено и описано как «корни» малой плотности под складчатыми горами. Детальное глубинное зондирование преломленными волнами показало [22, 14], что кора утолщается и в районах островных дуг — под самими островами. Над глубоководными желобами, примыкающими к островным дугам, отмечаются отрицательные гравитационные аномалии, не связанные, однако, с изменением мощности коры.
В областях с низкими значениями скорости волн в верхней мантии часто наблюдаются большие значения теплового потока. Эта связь надежно установлена для срединиоокеанических хребтов, а последние измерения теплового потока Провинции бассейнов и хребтов [2] указывают на значение около 2 мккал (с·см2), что значительно выше средней величины для всей Земли. Уменьшению скорости сейсмических волн в верхней мантии, по-видимому, соответствует и их большее затухание. Анализ высокочастотных поверхностных волн, проведенный Саттоном [21] в США, показал, что коэффициент удельного затухания Q, который составляет в восточных штатах не менее 600, снижается в Провинции бассейнов и хребтов до 250. Хотя это различие может быть обусловлено рассеянием из-за неоднородности коры, его можно объяснить и региональными изменениями Q в верхней мантии.
Вопрос о резкости перехода от коры к верхней мантии слабо освещен, несмотря на его значение для понимания природы границы М. Спектральный анализ вступлений преломленных волн наводит на мысль, что мощность переходного слоя в стабильных районах не превышает 0,5 км [18]. В пользу малой мощности свидетельствует и существование отраженпых вступлений от границы М под материками [12, 4] и океанами [7]. В тектонически активных областях этот переход, вероятно, выражен менее резко.
Простое и привлекательное объяснение природы границы М связано с представлением о ней, как о границе перехода вещества в другое фазовое состояние с излил гением плотности при сохранении химического состава (библиографию ранних работ по этому вопросу см. в работе Булларда и Григгса [3]). Вначале выдвигалась идея о переходе габбро (вверху) в эклогит (внизу). Считая, что на границе М фазы находятся в равновесии, легко представить механизм региональных поднятий при возрастании температурного градиента. Так как фазовый переход эклогита в габбро является эндотермическим, то граница М будет при этом мигрировать вниз, и процесс изостатической компенсации утолщенной коры должен вызвать поднятие даже без переноса легких пород в горизонтальном направлении. К сожалению, сейсмические данные и лабораторные испытания пород базальтового состава при высоких давлениях показали, что фазовый переход типа габбро — эклогит не позволяет объяснить резкость границы и региональные изменения мощности коры. Эти данные, однако, не опровергают гипотезы Хесса [9], согласно которой на границе М под океанами серпентиниты переходят в перидотиты мантии.
Буллард и Григгс [3] выдвинули два довода против возможности фазового перехода на границе М. Во-первых, они основывались на том факте, что в океанах и на материках величина теплового потока примерно одинакова. Поскольку выделение тепла, связанное с радиоактивным распадом, в породах континентальной коры существенно выше, чем в океанической коре, температурный градиент под материками должен быть меньше, чем под океанами. Если граница М соответствует фазовому переходу от габбро к эклогиту, то при увеличении температурного градиента ее глубина должна возрастать, и поэтому под океанами она должна находиться глубже. Любая попытка обойти возникающее при этом затруднение, сохраняя допущение об однотипном переходе на границе М и под океанами и под материками, заставляет нас признать, что в океанах кору слагает более плотная фаза. Но такое строение было бы неустойчивым с гравитационной точки зрения, и оно не согласуется с сейсмическими данными о скоростях волн. Упомянутую трудность можно преодолеть, только допустив, что нижняя часть коры с прилегающей к ней частью мантии имеет разный состав под материками и океанами.
Другой довод Булларда и Григгса носит более общий характер и связан с законом фазовых переходов. Нам неизвестен точный состав мантии, но все породы, которые упоминались в связи с этим, состоят не менее чем из двух минералов. Согласно закону фазовых переходов, фазы таких твердых тел изменяются в пределах зоны, соответствующей определенному диапазону температур. Хотя толщина границы М точно не установлена, имеющиеся сейсмические данные нельзя объяснить исходя из предположения о существовании переходной зоны между корой и мантией.
Второй довод недавно получил серьезное экспериментальное подтверждение. Рингвуду и Грину [20] удалось получить эклогит из базальтов разного состава при высоких давлениях и температурах. При 1100° С фазовый переход осуществлялся при давлениях от 3 до 12 кбар, что соответствует расположению границы Мохо в диапазоне глубин 10—40 км. Данные о температуре и давлении фазового перехода позволяют считать, что эклогит может быть стабильным во всей континентальной коре. Следовательно, базальты и габбро коры должны находиться в состоянии метастабильного равновесия. Грин и Рингвуд пришли к выводу, что ни под материками, ни под океанами граница М не может быть связана с фазовым переходом габбро — эклогит. Они полагают, что граница М разделяет породы базальтового состава (вверху) и перидотиты (внизу).
Хесс [9, 10] обошел возражения Булларда и Григгса относительно фазового перехода у границы М, допустив, что нижняя часть океанической коры состоит из серпентинита, т. е. фазы, образующейся при гидратации перидотита. На уровне границы М в океанах эти две ф>азы могут находиться в состоянии равновесия при условии, что температурный градиент будет втрое выше, чем для океана в среднем. Это условие может быть выполнено в центральной зоне срединноокеанических хребтов, и Хесс предположил, что именно здесь образуется вся океаническая кора (не считая осадочных отложений). Сюда поступают все новые и новые порции океанической коры и верхней мантии, по мере того как уже сформировавшиеся участки ложа океана отодвигаются от гребня срединного хребта, сохраняя в застывшем виде границу между корой и мантией, которая была равновесной в момент ее образования. В отличие от фазового перехода габбро — эклогит в реакции гидратации оливина участвует один минерал, и поэтому в данном случае граница фазового перехода будет резкой. Так как обе фазы находятся в равновесии только вдоль срединноокеанических хребтов, мощность океанической коры не отражает различий температурного градиента в других частях океана. Гипотеза Хесса подкрепляется тем, что под срединноокеаническими хребтами, по-видимому, отсутствует нижняя часть океанической коры [15], но диапазон наблюдаемых скоростей волн у подошвы коры больше, чем этого следовало бы ожидать при серпентинитовом составе коры (фиг. 1). Таким образом, гипотеза Хесса не может быть отброшена, хотя она применима лишь для океанов и в отличие от гипотезы фазового перехода габбро — эклогит не указывает на возможный механизм региональных поднятий. Фактически повсюду, кроме мест, где она возникает и где она разрушается, океаническая кора Хесса ведет себя как порода, состав которой отличается от состава верхней мантии.
Граница Мохо — важнейшая сейсмическая граница в коре и верхней мантии. Однако с точки зрения тектоники и гравитационного поля она уже не имеет решающего значения, поскольку установлены изменения плотности в верхней мантии, и они изостатически скомпенсированы. Поэтому нижняя граница жесткого верхнего слоя Земли, или литосферы, должна находиться в верхней мантии, а не у границы М. В настоящее время считают, что изменения механических свойств среды приурочены к кровле слоя пониженных скоростей [6, 1|. Такие изменения, вероятно, происходят постепенно, и уже по одному этому не могут быть отнесены к границе М. Распространяя аналогичный механизм на область океанического ложа, мы должны принять, что верхняя мантия вплоть до глубины около 50 км при расползании ложа океана от срединных хребтов перемещается вместе с корой. Эти доводы, а также экспериментальные данные, опровергающие гипотезу фазового перехода габбро — эклогит у границы М, уменьшают ее значение для тектоники. Тем не менее фазовые переходы, происходящие в пределах верхней мантии, а не у границы Мохо, вполне могут обеспечить механизм региональных поднятий. Если связанные с фазовым переходом изменения плотности будут происходить выше уровня изостатической компенсации, то они должны вызвать поднятия па поверхности Земли. Перидотиты могут испытывать разнообразные фазовые переходы, однако в областях с большими значениями теплового потока поднятия могут быть обусловлены только эндотермическими процессами, ведущими к уменьшению плотности. Такие фазовые переходы могли бы объяснить и региональные изменения скоростей продольных и поперечных волн под границей М, и толщину слоя пониженных скоростей.
Вероятно, основной вывод, который позволяют сделать последние сейсмические исследования, заключается в том, что граница М представляет собой лишь одну из нескольких сейсмических границ в коре и верхней мантии. Вполне возможно, что какая-то другая нерезкая граница в тектоническом отношении важнее, чем граница Мохо.