Почти во всех точках поверхности Земли измерялось (и, как правило, многократно) ускорение свободною падения. Еще в 1932 г. в Советском Союзе началась общая гравиметрическая съемка, при которой среднее расстояние между гравиметрическими пунктами составляло примерно 30 км. Ныне сеть гравиметрических пунктов на значительной части территории СССР и других стран давно уже намного гуще, чем один пункт на 1000 км2.
Ускорение свободного падения измерено повсюду — и на материках, и на океанах. Получены результаты, которые заранее предугадать было невозможно, так как они противоречили пресловутому здравому смыслу. Оказалось, что на одной и той же широте ускорение свободного падения в среднем почти одинаково и на океанах, и на материках, хотя, судя по различным данным, толщина континентальной земной коры (в среднем 35–40 км) значительно больше толщины океанической коры (около 5 км). Даже такие мощные горные хребты, как Гималаи, вызывали гораздо меньшее притяжение к себе отвеса, чем можно было бы ожидать.
Так как средняя плотность земной коры примерно в 2,5 раза выше плотности воды, то естественно было предположить, что дно океанов состоит из гораздо более плотного вещества, чем материки, и этим самым компенсируется малая плотность океанических вод. Сторонники этой точки зрения, впервые высказанной еще в прошлом веке, считают, что где-то на глубине около 100 км существует особая уровенная поверхность, давление на которую со стороны вышележащих слоев (и под материками, и под океанами) одинаково. Ее назвали изостатической поверхностью (рис. 14), что, собственно, и означает «поверхность одинакового давления», а само предположение о ее существовании получило в геодезии наименование гипотезы изостазии.
Рис. 14. Изостатическая поверхность.
О том, что ускорение свободного падения повсюду на Земле примерно одинаково, свидетельствует форма геоида и его почти совершенно гладкая поверхность. Если бы сравнительно высокая плотность материковых масс ничем не компенсировалась в районе океанов, то, во-первых, геоид имел бы гораздо более неровную, чем на самом деле, поверхность и, во-вторых, неровности соответствовали бы распределению океанов и материков. Значит, действительно внутри Земли действует какой-то компенсационный механизм, создающий наблюдаемую картину.
Ученые прошлого века Пратт и Эри представляли себе компенсационный механизм по-разному. Пратт (1854 г.) полагал, что возвышенные части земной коры оказались приподнятыми благодаря своей малой плотности. Иначе говоря, здесь имеет место явление, хорошо нам знакомое из житейской практики: чем больше нагрузить лодку, тем глубже она осядет в воду. Эри (1855 г.) представлял себе механизм компенсации несколько иначе. Отдельные части земной коры он уподоблял исполинским чурбакам одинаковой плотности, плавающим в воде. Чурбак, выступающий из воды больше, чем остальные, должен быть погружен на наибольшую глубину. Кто же оказался прав — Эри или Пратт?
Хейсканен и другие ученые, подробно изучив этот вопрос (1958 г.), пришли к выводу, что изостатическое равновесие земной коры в среднем на 63 % осуществляется «по Эри» и на 37 % — «по Пратту». И в том и в другом вариантах предполагается, что на некоторой глубине вещество Земли перестает быть твердым и приобретает свойства очень густой, вязкой жидкости. Примечательно, что этот вывод о природе глубоких слоев Земли сделан без прямого глубинного зондирования, на основании измерений силы тяжести на поверхности. Что касается больших глубин, то сведения о них были получены главным образом при изучении землетрясений.
Об упругости и волнах
Чтобы разобраться в причинах и следствиях землетрясений надо вспомнить кое-что об упругости и волнах.
Если тело после снятия внешней нагрузки принимает первоначальную форму, его называют упругим. В этом случае говорят об упругой деформации тела. Если же внешние силы необратимо меняют форму тела, то его деформация будет неупругой.
Примером безусловно упругого тела является резина — недаром ее используют в различных амортизаторах. Такими же упругими свойствами обладают струна гитары, стальная пружина и ряд других твердых тел. Кусок мягкой глины или замазки может, наоборот, служить типичным примером неупругого тела.
Процесс распространения колебаний в упругой среде реализуется в виде волн, т. е. периодических перемещений частиц среды. При этом каждая из частиц колеблется около некоторого среднего положения равновесия. Когда говорят о фронте волны, подразумевают поверхность, отделяющую колеблющиеся частицы от тех частиц, которые еще не пришли в колебательное движение. Если фронт волны есть плоскость, волна называется плоской, если фронт волны представляет собой сферу, волна называется сферической.
Различают волны двух типов — продольные и поперечные. В первом случае колебания отдельных частиц происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению волны. В сущности, продольная волна — это чередование сгущений и разрежений упругой среды. Продольные волны возможны в газах, жидкостях и твердых телах. Что касается поперечных волн, то они наблюдаются или в твердых телах, или на границе раздела двух жидкостей либо жидкости и газа (например, на поверхности воды). Если колебания распространяются вдоль прямой, эту прямую называют лучом. Колебания могут распространяться и вдоль кривых.
После этого краткого экскурса в область элементарной физики обратимся к тем так называемым сейсмическим волнам, которые возникают при землетрясениях, т. е. при сотрясениях земной коры, вызванных разными причинами. Самые грозные из землетрясений — тектонические, порожденные резким смещением отдельных участков земной коры. При этом происходит разрыв пород, образуются большие и малые трещины, часть которых выходит на поверхность Земли. Разрывы и смещения пород, слагающих земную кору, вызывают подземные толчки, отдающиеся на земной поверхности. Каждый такой толчок рождает сейсмические волны, достигающие наибольшей силы в очаге землетрясения, называемом сейсмическим очагом.
В сейсмическом очаге различают гипоцентр, т. е. глубинную зону, где, собственно, и зарождается землетрясение, и эпицентр — область наибольшей силы сейсмической волны на земной поверхности. Расстояние между эпицентром и гипоцентром характеризует глубину сейсмического очага. Глубина очага тектонических землетрясений чаще всего 50—100 км, хотя бывали случаи, когда такого рода землетрясения зарождались на огромной глубине — до 800 км!
В районе действующих вулканов земная кора также сотрясается, что вызывается прорывами газов и лавы в подводящем канале вулкана. Нередко вулканические землетрясения предшествуют извержению вулкана, однако по мощности они, как правило, уступают тектоническим землетрясениям.
Еще менее грозны обвальные землетрясения, порождаемые обвалом больших масс горных пород. Наконец, при искусственных взрывах под землей на земной поверхности и невысоко в атмосфере возникают искусственные землетрясения.
Каждый очаг землетрясения — это область внутри Земли, из которой распространяются упругие волны разных типов. Некоторые из этих волн поверхностные, распространяющиеся вблизи земной поверхности, и их свойства, очевидно, тесно связаны со строением земной коры и подстилающих ее сравнительно неглубоких слоев. Гораздо интереснее, пожалуй, пронизывающие почти всю Землю объемные волны, к которым относятся продольные, или Р-волны (от латинского «прима», что значит первые), и поперечные, или S-волны (от латинского «секунда» — вторые). Продольные волны распространяются быстрее поперечных, поэтому первыми приходят на сейсмические станции. По существу и те, и другие представляют собой звуковые волны очень низких частот. При очень сильных землетрясениях вся Земля начинает колебаться, и эти собственные колебания огромной планеты можно сравнить со звучанием исполинского колокола.