Георгий Горшков - Строение земного шара

Итак, в первом, и достаточно хорошем, приближении Земля должна быть принята за эллипсоид вращения, элементы которого опубликованы в 1936 г. и которые приняты в Советском Союзе в качестве официальных, т. е. обязательных для использования во всех специальных работах.

Рис. 3. Земля — эллипсоид вращения;

а — большая полуось; с — малая полуось.

Однако геодезисты нередко нуждаются в измерениях еще большей точности, и тогда для изображения формы Земли они пользуются не эллипсоидом, а другой фигурой, так называемым геоидом. Геоид несколько ближе к истинной фигуре Земли, со всеми ее возвышенностями и впадинами, чем эллипсоид, и представляет фигуру, весьма сложную по виду. Наконец, теперь выяснено, что и экватор Земли не является окружностью; скорее это эллипс, т. е. окружность, слегка сжатая. Приходится считать также, что северное и южное полушария, как показал русский ученый А. А. Иванов, не вполне симметричны относительно плоскости экватора.

В заключение приведем некоторые цифры, характеризующие размеры земного шара:

Экваториальный диаметр = 12 756,5 километра

Полярный диаметр = 12 713,7 километра

Длина окружности меридиана = 40 008,6 километра

Длина окружности экватора = 40 075,7 километра

Поверхность Земли = 510 миллионам квадратных километров

Объем Земли = 1080 миллиардам кубических километров

Мы подходим к проблеме строения земного шара. И сразу же возникает вопрос: каким же методом, каким образом можно получить хотя бы какие-нибудь сведения о строении далеких глубин нашей планеты?

К счастью, положение оказывается совсем не безнадежным. Геофизика дает в наши руки даже не один, а несколько методов; они дополняют, поправляют друг друга, и в результате получаются довольно достоверные сведения о строении земного шара и состоянии вещества на больших глубинах.

Прежде всего, конечно, метод сейсмический.

Представим себе, что где-то произошло сильное землетрясение. Очаг землетрясения, т. е. тот участок в толще Земли, в котором возникло землетрясение, располагается обычно на глубине нескольких десятков километров ниже поверхности Земли. Отсюда во все стороны разбегаются упругие волны, которые, дойдя до поверхности, и производят эффект землетрясения. Непосредственно над очагом эти упругие волны выражаются в сильных, резких, коротких ударах; вдали от очага они дают впечатление продолжительных волнообразных колебаний.

Прежде всего отметим, что сейсмические волны, возникшие в очаге землетрясения, расходятся по толще Земли самыми различными путями, и есть возможность с помощью приборов (сейсмографов, которые записывают колебания почвы) проследить за этими путями, выяснить, где, на какой глубине и с какой скоростью проходят волны, и тем самым судить не только о строении глубин, но и о свойствах вещества, залегающего на пути прохождения волн. Кроме того, различается несколько видов таких волн, причем волны различных типов движутся с различными скоростями; это опять дает в руки геофизикам ключ, с помощью которого можно открыть не только местонахождение очага землетрясения, но и свойства вещества на больших глубинах.

Быстрее всех распространяются так называемые продольные волны. Они обозначаются буквой Р . Скорость их колеблется, в зависимости от свойств горных пород, по которым они проходят, от 5 до 13 километров в секунду. В физическом смысле эти волны представляют собой волны сжатия и разрежения. Это значит, что они выражаются в таком движении частиц Земли (вокруг некоторого положения равновесия), в результате которого последние то сближаются друг с другом, то расходятся, т. е. вещество то сжимается, то растягивается. При этом частицы колеблются вдоль «сейсмического луча», т. е. в направлении движения волн, идущих от очага во все стороны. Подобный процесс можно представить себе как реакцию среды на изменение объема.

Примером продольных волн являются звуковые волны, которые в воздухе распространяются со скоростью около 330 метров в секунду, в воде — около 1,5 километра в секунду, а в твердых горных породах, распространенных на Земле — до 5–7 километров в секунду (собственно землетрясение).

Другой класс волн именуется волнами поперечными. Они выражаются в том, что частицы Земли испытывают колебания в направлении, поперечном к направлению движения фронта волны. Эти волны обозначаются значком S и скорость их меньше продольных приблизительно в 1,7 раза. Поперечные волны можно представить себе, как реакцию среды на изменение формы. Жидкости не сопротивляются изменению их формы, и потому поперечные волны через них не проходят, погашаясь в толще жидкой среды на первых же своих «шагах».

Наконец, выделяется еще третий тип волн — поверхностных, которые возникают у свободной поверхности Земли и быстро гаснут с глубиной. В известной степени они напоминают собой те волны, которые возбуждаются на поверхности воды брошенным в воду камнем. Эти волны распространяются медленнее других, и амплитуда их по мере удаления от места возникновения (над очагом) быстро падает; однако при сильных землетрясениях они, так же как и волны других типов, могут причинять серьезные повреждения постройкам.

Представьте себе теперь такую схему (рис. 4). Пусть в точке О находится очаг землетрясения; он лежит в слое горных пород, по которым волны Р (продольные) распространяются со скоростью v 1 . Под этим слоем залегает другой, в котором скорость упругих колебаний равна v 2 , причем v 2 больше, чем v 1 .

В точку T 1 , где, допустим, установлен первый сейсмограф, сначала придут волны Р 1 , следовавшие по прямому пути ОТ 1 , а затем волны Р 2, которые шли по сложному пути ОАВТ 1 с тем, что часть пути, именно АВ, они шли по нижнему слою, т. е. с большой скоростью ( v 2 ). Дальше от очага можно найти такой пункт Т 2 , в который и те и другие волны придут одновременно; путь ОТ 2 короче, но зато на пути ОАСТ 2 волны долгое время шли с большой скоростью (со скоростью v 2 на пути АС ). И, наконец, в точку Т 3 сначала придут уже те волны Р 2 , которые шли по нижнему слою, по пути OADT 3 , а затем уже Р 1 , которые шли прямо, по пути ОT 3 ; он короче, но скорость волн P 1 здесь невелика ( v 1).

Рис. 4. Пути сейсмических волн, идущих от очага О к точкам T 1, T 2, T 3, в которых установлены сейсмографы. В верхней части рисунка изображены упрощенные сейсмограммы, т. е. отметки, полученные на приборах, о приходе волн Р.