Особенность лунотрясений
 

Другая особенность лунотрясений — их пространственная мозаичность: эпицентры сосредоточены в нескольких узких протяженных поясах. Число регистрируемых событий зависит от локальных сейсмогеологических условий.

Метеориты падают на поверхность Луны в среднем равномерно в пространстве и времени, но гораздо реже, чем следовало ожидать из оценок по наблюдениям с Земли.

Исходя из графиков повторяемости числа лунотрясений и ударов метеоритов можно ориентировочно оценить уровень фона микросейсм на Луне в разных ситуациях. В асейсмичных зонах для малочувствительных станций в период между пиками сейсмической активности микросейсмы обусловлены «метеоритным звоном» (их амплитуда превышает 0,01 А). Максимальный фон микросейсм отмечается чувствительными станциями в пределах сейсмических поясов в период апогея — перигея. В этом случае фон должен превышать 0,07 А.

Для записи таких слабых сигналов нужно на 1 порядок поднять чувствительность аппаратуры или хорошо знать статистику внутреннего шума регистрирующего канала, чтобы выделять из шумоподобных сигналов сейсмическую компоненту. Тогда удастся решать задачи, совершенно новые для земной сейсмологии.

Во-первых, по записям одной станции, не определяя эпицентр, можно оценивать сейсмичность региона по уровню фона микросейсм.

Во-вторых, по пространственным аномалиям фона удастся картировать сейсмическую добротность недр. Ведь на Луне в отличие от Земли шумно не там, где «плохая» погода, а там, где добротная среда — именно здесь «хвосты» у записей длиннее.

Сейсмические наблюдения на Луне
 

Первые же сейсмические наблюдения на Луне преподнесли сюрпризы. Лунные сейсмограммы не похожи на земные: колебания на Луне не затухают часами, четкие вступления волн отсутствуют.

Специфический феномен — лунный «сейсмозвон» — объясняется малыми тепловыми потерями и рассеянием волн на многочисленных неоднородностях верхнего слоя, которые представляют главным образом трещины, созданные метеоритной бомбардировкой.

Верхняя часть лунного разреза слоиста, скорость распространения волн растет с глубиной скачками, свойства реголита и подстилающего слоя брекчий относительно одинаковы даже в удаленных районах. В то же время выявленные региональные отличия мощности и скорости соотносятся с сейсмичностью.

Лунный реголит — уникальное образование, продукт метеоритного «вспахивания» поверхности и «обдувания» ее солнечным ветром в условиях глубокого вакуума и полной сухости. Он отличается от грунтов Земли чрезвычайно низкой электропроводностью, ничтожной теплопроводностью, большой неоднородностью и высокой сейсмической добротностью. Очень низкие скорости, в особенности поперечных волн, почти не имеют земных аналогов. Ближе всего по сейсмическим свойствам подходят к реголиту чернозем, к лунным брекчиям — обломочные породы близ вулканических кратеров.

Знание физических, и в частности сейсмических, свойств лунного грунта и отыскание их земных аналогов крайне необходимы для испытаний на Земле космической техники и планирования межпланетных экспедиций.

Специфика сейсмоселенологических условий благоприятствует просвечиванию малыми источниками на большие расстояния. Однако отсутствие четких вступлений волн в последующей части записи затрудняет локализацию глубинных структур.

Опыт сейсмических наблюдений на Луне стимулирует усовершенствование сейсмической модели при исследовании Земли.

Можно ли предсказать лунотрясение?
 

Планируя сейсмические наблюдения па Луне, ученые стремились к тому, чтобы сейсмические станции были поставлены/в места контакта крупных структур рельефа, на границе морей и континентов. Именно здесь надеялись обнаружить свидетельства активности недр — тектонические подвижки.

Увы, Луна оказалась пассивной и асейсмичной. Этим она в корне отличается от Земли. Земля, говоря словами короля Лира, «тряслась, как в лихорадке», Луна лишь лениво «пощелкивала». Лунотрясения редки и слабы. Космические сестры — Луна и Земля в отношении сейсмичности оказались дальними родственницами.

Естественная сейсмичность Луны проявляется в сотрясениях трех сортов: приливных («земных»), тепловых («солнечных») и тектонических (собственно «лунных»). Сюда прибавляются удары метеоритов, вызывающие сотрясения, практически неизвестные на Земле, окутанной защитным слоем атмосферы.

Картина закономерностей естественной сейсмичности Луны проявлялась постепенно, по мере появления новых станций и накопления статистики лунотрясений.

Лунотрясение или метеорит?
 

Одна из первых задач сейсмологов — отличить лунотрясения от сотрясений, вызываемых падением метеоритов.

Эта проблема сродни различению землетрясений и под - " земных ядерных взрывов. Она решается так: на записях событий заведомо известной природы исследуются отдельные особенности волн — время их пробега, амплитуда, частотный состав, поляризация и др. По совокупности признаков в духе статистического распознавания образов с определенной вероятностью делается альтернативный выбор: «да — нет».

На Луне проверенного и пригодного для обучения материала не было. И все же постепенно картина прояснилась. Помогло то важное обстоятельство, что метеориты падают на поверхность, а гипоцентры лунотрясений (пока речь идет о приливных лунотрясениях) расположены глубоко.

Рожденные ими волны пробегают в верхнем рассеивающем слое меньшую дистанцию. Поэтому на сейсмограмме время записи от первого вступления лунотрясения до его максимума меньше, чем при падении метеорита, и не зависит от частоты колебаний. Спектр записей при ударах метеоритов высокочастотный и резонансный, а при лунотрясениях низкочастотный и равномерный.

У лунотрясений выделяются фазы продольных (первые вступления) и поперечных волн (последующие вступления). Поперечные волны записываются на горизонтальных приборах с большей амплитудой, чем на вертикальных.

Лунная сейсмическая активность
 

Таблица 8

Лунная сейсмическая активность (с 21 апреля 1972 г. по 21 мая 1974 г.)

<img src="../luna/image056.jpg" width="379" height="163" class=""/>

*Включены события, записанные на двух и более станциях.

** Запись, где амплитуда больше или равна среднему шуму.

<img src="../luna/image058.jpg" width="380" height="161" class=""/>

Рис. 20. Связь сейсмичности Луны со скоростными характеристиками верхней части разреза.

<img src="../luna/image060.jpg" width="163" height="203" class=""/>

На горизонтальных шкалах указана мощность реголита (Hр) и слоя брекчий (Hб) в местах расположения сейсмических станций «Аполлон» (треугольники с цифрами) . Вертикальная шкала — число лунотрясений в год. На кривой нанесены величины скоростей продольных и поперечных (в скобках) волн в слое брекчий

Падение метеоритов на луну
 

При падении обычных метеоритов поперечные волны не возникают. Это едва ли не решающий признак для различения. Лишь при очень сильных ударах, таких, которые возникли при падениях 13 мая и 17 июля 1972 г., появляются поперечные волны.

Наконец, на сейсмограммах лунотрясений (именно приливных) из одного и того же очага установлена строгая периодичность и удивительная повторяемость формы записи и направления первого смещения.

Опубликованы данные о сейсмических явлениях на Луне за 5,5 года, с 20 ноября 1969 г. по май 1975 г. (табл. 8). Зарегистрировано около 8 тыс. сигналов, из них около 4 тыс. лунотрясений с амплитудой записи, превосходящей фон помех.

Представления об их свойствах и природе эволюционировали.

Прежде всего выяснилось, что все без исключения лунотрясения очень слабые. Оценить энергию в очаге удалось после уточнения скоростной структуры недр. Зная (благодаря строгой калибровке аппаратуры) амплитуду смещения грунта под сейсмометром, можно оценить потериэнергии при распространении волн и таким образом рассчитать энергию источника. Для максимальных толчков приливной природы она оказалась всего 107—109 эрг, что соответствует условной величине — магнитуде землетрясения 0,5—1,3. Столь слабые сотрясения на Земле невозможно различить из-за интенсивного фона микросейсм. Чтобы этот фон не забивал запись, земная сейсмологическая аппаратура гораздо грубее лунной.

На различных сейсмических станциях сети «Аполлон» записывается в среднем в год разное число лунотрясений: В Море Познанном 600, в Апеннинах 650, в районе кратера Фра-Мауро 1500 и больше всего в континентальном районе у кратера Декарт — свыше 3000.

Сейсмичность региона
 

После проведения сейсморазведочных исследований верхней части разреза стало ясно, что сейсмичность региона тесно связана с мощностью и скоростью волн в слоях грунта. Этот эффект хорошо известен сейсмологам и на Земле.

Как видно из рис. 20, число лунотрясений больше на тех станциях, в районе которых мощнее слои реголита и брекчий и ниже скорости сейсмических волн во втором слое.

Амплитуды регистрируемых сигналов от лунотрясений различаются не более чем в 10 раз, так что возможности динамического диапазона аппаратуры при их записи не реализуются. Приборы фиксируют чрезвычайно слабые сейсмические сигналы. Абсолютное смещение грунта при этом (0,5—5) • 10~8 см соизмеримо с размерами атома.

Всеми станциями па Луне регистрируется одновременно около 600—700 событий в год, из них только 25% пригодны для анализа, остальные записи слишком слабые. Пример записи лунотрясений приведен на рис. 21.

Важное свойство планетотрясений — соотношение между их числом и энергией (рис. 22). Эти так называемые графики повторяемости говорят о многом. Они имеют вид прямых, наклоненных в сторону больших энергий (амплитуд). Это и понятно: слабых сотрясений происходит больше, чем сильных. Наклон кривых характеризует очень важное свойство сейсмического режима — максимально возможное сотрясение, которое определяется по точке пересечения графика с горизонтальной осью. А пересечение с вертикальной осью дает представление о сейсмичности — количестве слабых сотрясений.

Пример записи на сейсмических станциях сети Аполлон
 

Рис. 21. Пример записи на сейсмических станциях сети «Аполлон» приливного лунотрясений из очага А18 5 января 1973 г. в 22 ч 53 мин по Гринвичу.

Номера станций указаны в начале сейсмограмм. Отмечены горизонтальная и вертикальная компоненты. Сигналы типичны для приливных лунотрясений. Стрелками показаны вступления волн Р и S

<img src="../luna/image062.jpg" width="616" height="412" class=""/>

Рис. 22. Кривые повторяемости сейсмических событий на Луне

1 — приливные лунотрясения; г — тектонические лунотрясения; 3 — падения метеоритов. Указана величина тангенса угла наклона графиков. По вертикали — число событий, по горизонтали — амплитуда их записи

<img src="../luna/image064.jpg" width="201" height="205" class=""/>

Приливные лунотрясения
 

У приливных лунотрясений наклон кривых в 4 раза круче, чем у тектонических землетрясений. Это означает, что Луна устроена так, что в ней может происходить много слабых, но невозможны сильные сотрясения. Почему это так — выясним позже.

Столь крутые графики повторяемости на Земле получаются лишь для мелкоочаговых вулканических землетрясений, а также мелкофокусных землетрясений в районах срединных океанических хребтов.

Кривые, подобные лунным, удалось в нескольких случаях получить и в лабораториях, когда в образцах имелись микротрещины и они были подвержены малым деформациям при растрескивании под действием температурных контрастов и при трении двух поверхностей в условиях низкого давления на контактах. Результаты моделирования следует иметь в виду при обсуждении механизма приливных лунотрясений.

Графики повторяемости — еще один признак различения лунотрясений и ударов метеоритов: у последних он менее крутой.

Гравитационное расписание
 

Через несколько месяцев после начала работы сейсмических станций на Луне выяснилось, что сотрясения не просто слабы и редки, но в их календаре имеется определенный порядок. Сперва была подмечена месячная периодичность: толчки происходили близ времени перигея, когда Луна, обращаясь вокруг Земли, оказывалась всего ближе к ней.

Напрашивалось естественное объяснение: возрастает сила земного притяжения, соответственно растет напряжение в недрах, блоки пород не выдерживают и трескаются.

Однако в дальнейшем, по мере увеличения срока наблюдений и подключения новых станций, картина усложнилась и даже запуталась. Наметились дополнительные двухнедельные пики сейсмической активности, а затем обнаружилась и более длинная периодичность, составляющая 206 суток. На сейсмической станции «Аполлон-12», которая действовала дольше других, максимальное число лунотрясений было отмечено в первой половине 1970 г., затем наблюдался плавный спад активности. В 1972 г. (рис. 23) Луна была наиболее пассивной. Новый подъем, соответствующий шестилетнему периоду активности, наступил в 1976 г.

Периодичность лунотрясений
 

Наблюдаемая периодичность лунотрясений может быть расшифрована исходя из закономерностей вращения и движения Луны в поле притяжения Земли и Солнца.

Луна вращается вокруг Земли по эллипсу со средним расстоянием 384 тыс. км. Орбита не намного отличается от круговой — эксцентриситет эллипса всего 0,05, при этом в периоды перигея и апогея Луна приближается и удаляется от Земли примерно на 15 тыс. км. Период обращения вокруг Земли 27,32 земных суток. За это же время совершается полный оборот Луны вокруг собственной оси с запада на восток. Лунный экватор имеет небольшой наклон к эклиптике — 1°32 (ось Луны, как и земная, «смотрит» на Полярную звезду) и к орбите — 6,5°.

Форма Луны не строго сферичная. На видимой стороне в районе экватора из-за притяжения Земли существует выступ. В системе Земля — Луна, как уже упоминалось, действуют приливные гравитационные силы. Они вызывают периодические подъем и спад уровня воды в океанах Земли (приливы и отливы).Эти силы действуют и на твердую Землю. Именно приливное взаимодействие приводит к торможению Земли.

Замедление вращения Земли компенсируется удалением Луны от Земли. Через 50 млрд. лет расстояние между ними вырастет в полтора раза и синхронизация вращений станет иной: с Луны будет видно только одно полушарие Земли.

История сейсмичности
 

Рис. 23. История сейсмичности, орбитальных изменений и вариаций приливного потенциала Луны в 1972—1974 гг.

<img src="../luna/image066.jpg" width="390" height="210" class=""/>

1972 1973 1974

Горизонтальная ось — месяцы года.

1 — данные для станции «Лполлон-12»,

2—«Аполлон-14»,

3—«Аполлон-15»,

4 — «Аполлон-16».

Вертикальная шкала:

а — число лунотрясений в месяц,

б — расстояние Земля — Луна,

в — приливной потенциал в условных единицах, рассчитанный для глубины 870 км для точек в середине видимого диска.

Отмечается корреляция периодичности лунотрясений, максимума эксцентриситета лунной орбиты и приливного потенциала с периодом 206 суток.

Приливное воздействие Земли на Луну
 

Вследствие много большей массы Земли ее обратное приливное воздействие на Луну проявляется заметнее; Поскольку Луна не абсолютно жесткая, приливные силы рассеиваются, нагнетая в ее теле напряжение.

Теоретически показано (В. Н. Жарков и др.), что напряжения должны сосредоточиваться на контакте твердой и жидкой оболочек.

Кроме Земли, на Луну действует гравитационное поле Солнца. Оно вызывает периодические изменения лунной орбиты, проявляющиеся в вариациях эксцентриситета и расстояния Земля—Луна.

Периоды движения Луны
 

Можно выделить четыре основных периода движения Луны. Период широтной либрации — 27,2 сут (1 нодикальный месяц); при этом центр видимого диска Луны колеблется почти по синусоиде от 7° с. ш. до 7° ю. ш. Долготная либрация имеет период 27,5 сут (1 аномалистический месяц). Максимальный угол поворота Луны несколько меняется от месяца к месяцу от 5 до 8° в течение 206 сут (7,5 аномалистического месяца). С таким же периодом «ползет» и сама длительность аномалистического лунного месяца (25—28,5 сут). Это связано с пертурбациями лунной и земной орбит под действием гравитационных сил Солнца.

Раз в 27,55 сут Луна при орбитальном движении вокруг Земли оказывается предельно близкой к Земле (в перигее) — на расстоянии 356 тыс. км. И раз в месяц максимально удаляется (в апогее) на 407 тыс. км. Но само .положение апогея и перигея и, следовательно, эксцентриситет лунной орбиты также колеблются с периодом 7,5 аномалистического месяца (перигей варьирует от 356 до 370 тыс. км, апогей — от 404 до 407 тыс. км).

И, наконец, вследствие небольших различий периодов широтной и долготной вибраций соотношение их взаимных фаз медленно «ползет» и повторяется через 6 лет.

Эта фундаментальная периодичность движений Луны находит свое отражение в вариациях лунной сейсмичности (число приливных лунотрясений). Если рассматривать все очаги вместе, то во временных спектрах приливных лунотрясений на каждой сейсмической станции выделяются четкие пики. Самый большой из них приходится на период 13,6 сут — половина нодикальпого месяца. В 2— 5 раз слабее пики с периодами 27,2 и около 206 сут. И совсем слабенькие всплески отмечаются в спектрах на периодах 13,7—15 и 27,5—30 сут, соответствующих половине и полному аномалистическому месяцу. Это связано с тем, что длительность месяца меняется в течение 206 дней.

В одном и том же очаге лунотрясения происходят раз в месяц в течение нескольких дней и включают 1—4 толчка с фиксированным временным интервалом между ними. И хотя основная лунная сейсмическая периодичность — месячно-полумесячная, наибольшее число толчков и наиболее энергичные из них происходят не в момент апогея и перигея, а сдвинуты в моменты так называемой характеристической фазы.

Связь приливных лунотрясений с широтной либрацией
 

<img src="../luna/image068.jpg" width="386" height="196" class=""/>

Рис, 24. Связь приливных лунотрясений с широтной либрацией

Вертикальная ось — число событий (в %):

1 — лунотрясения,

2— широта ближайшей к Земле точки лунной поверхности.

Гистограмма лунотрясений построена по 1279 событиям, зарегистрированным на станции «Апол-лон-14» со 2 апреля 1972 г. по 22 мая 1974 г. Два пика числа лунотрясений тесно связаны с максимумами широтной либрации при углах 5—7°, которые наблюдаются каждый нодикальный месяц.

Все это хорошо иллюстрируется гистограммами на рис. 24, где указана частота сотрясения в зависимости от положения центра видимого диска Луны. Максимальное число приливных лунотрясений происходит при наибольшем отклонении Луны к северу, а также в момент западного максимума долготной либрации. При этом максимум, связанный с долготной либрацией, размыт, поскольку ее период слегка «ползет».

Расстояние Земля—Луна
 

Сейсмическая активность меняется и в зависимости от расстояния Земля—Луна.

Луна трясется больше всего во время минимума перигея и максимума апогея (следовательно, максимума эксцентриситета лунной орбиты) при наибольшей широтной и долготной либрации. Это вызвано максимумами приливного потенциала и деформацией на глубинах очагов лунотрясений.

Все сказанное свидетельствует о гравитационной природе приливных лунотрясений. Их расписание может прогнозироваться, исходя из расчетов по законам небесной механики.

Делались экзотические попытки найти взаимосвязь между пиками сотрясаемости Луны и временем восхода пульсара СР 133. Предполагалось, что гравитационные волны, излучаемые при его вращении через каждые 1,19 с, должны приводить к ничтожным перемещениям вещества планеты на Ю-10 см. Казалось, что этот эффект может быть замечен сейсмографами. Однако специальный сейсмический эксперимент в глубоком тоннеле на Земле не обнаружил гравитационных волн от пульсара.

Что касается влияния гравитационных полей Земли и Солнца на приливные лунотрясения, то оно ни у одного из исследователей сейсмичности Луны сомнений не вызывает.

Свойства высокочастотных телесейсмических событий
 

По мере накопления данных уточнялись свойства этих так называемых высокочастотных телесейсмических событий и увеличивались основания отнести их к разряду лунотрясении и притом тектонической природы 6а о лет зафиксировано 25 таких необычных явлении.

По сравнению с тысячами приливных лунотрясении их число невелико. Однако обратить на них внимание следует не только потому что это явления иной природы, но и потому, что они, даже при малом числе, вносят весомый вклад в сейсмичность Луны, поднимая общую годовую энергию лунотрясении до 1015—1018 эрг. Характеристики этих высокочастотных телесейсмических событий приведены в табл. 10.

Таблица 10. Очаги тектонических лунотрясений
 

<img src="../luna/image080.jpg" width="380" height="596" class=""/>

Таблица 10 (окончание)

<img src="../luna/image082.jpg" width="378" height="258" class=""/>

Наиболее яркая отличительная особенность записей этих событий, перешедшая в их название,— высокочастотный состав колебаний. Их спектр равномерный в диапазоне частот 0—5 Гц и далее до 10 Гц уменьшается лишь на 10 дб. При этом спектр поперечных волн высокочастотнее продольных, а затухание очень незначительное (у приливных же лунотрясений и ударов метеоритов частоты колебаний ниже 1 Гц).

Это может быть связано как с высокочастотным спектром излучения, таки с малым затуханием на пути распространения волн. По затуханию амплитуд волн с расстоянием получены независимые оценки добротности лунной литосферы (7000), хорошо сходящиеся с добротностью по затуханию амплитуд во времени. Другая важная особенность — вступления продольных и поперечных волн очень четкие, даже в сравнении с приливными лунотрясениями, тем более с ударами метеоритов. Это значит, что рассеяние невелико, т. е. очаг находится ниже рассеивающего слоя.

Календарь тектонических лунотрясений
 

Календарь тектонических лунотрясений не имеет характерных периодических максимумов и минимумов, свойственных приливным лунотрясениям. Здесь трудно рассмотреть месячный или семимесячный циклы — распределение по времени скорее случайно.

Отсюда следует, что высокочастотные события меньше зависят от приливов.

Правда, если рассмотреть тектонические лунотрясения в зависимости от фазы аномалистического месяца, то при фазовом угле 0,7 рад от перигея обнаруживается статистически значащий максимум (вероятность 0,91), к тому же взаимосвязанный с быстротечными явлениями на поверхности. Однако этот феномен пока трудно объяснить, поскольку максимум активности не соответствует какой-либо определенной сейсмической зоне Луны. Намечается также минимум числа сотрясений в апогее, но он статистически не обоснован (вероятность 0,44).

Удары космических аппаратов
 

Используя удары космических аппаратов, экспедиции «Аполлон» провели сейсмическое зондирование лунной коры. Как и кора Земли, она радиально слоиста и горизонтально неоднородна, скорость распространения волн в ней растет с глубиной, переход к мантии имеет сложную неоднородную структуру и знаменуется значительным увеличением скорости. Кора Луны сложена в основном кальциево-алюминиевыми породами среднего состава. Верх мантии, как и в Земле,— ультраосновными породами, богатыми оливином. В Луне, возможно, находится высокоскоростной«козырек», глубже которого скорость

убывает.

В отличие от земной, лунная кора имеет низкие скорости распространения волн вверху и высокий градиент роста скорости с глубиной, большую мощность и малый коэффициент затухания волн. Уникальное по земным меркам явление представляет верхний очень неоднородный и добротный слой, рождающий столь долгое звучание сейсмических сигналов.

Открытие лунной коры — первый и очень важный аргумент в пользу общности развития «космических сестер»— Земли и Луны.

Сравнение скоростных моделей коры Луны и Земли
 

Рис. 11. Сравнение скоростных моделей коры Луны и Земли

<img src="../luna/image032.jpg" width="232" height="210" class=""/>

1 — вариант лунного разреза,

2 — полоса возможных моделей Луны,

3 — континент Земли,

4 — зона перехода от континента к океану,

5 — океан

Кора Луны
 

Но кора Луны отличается от земной прежде всего большой мощностью, что становится понятно, если иметь в виду намного меньшие ускорение силы тяжести и давление на Луне. На границе с мантией Луны давление соизмеримо с земным в низах океанической коры.

Заметно отличаются от земных также и физические свойства верхнего слоя коры Луны. В самом верху скорость распространения сейсмических волн очень маленькая, глубже она стремительно возрастает с очень высоким градиентом. Верхний слой коры вследствие большой неоднородности вызывает сильное рассеяние волн и в то же время имеет чрезвычайно высокую сейсмическую добротность, что и является причиной долго незатухающих колебаний.

Сравнение скоростей распространения волн в модели коры Луны и в земной коре океанического, горного и переходного типов представлено на рис. 11. Здесь приведены полосы возможных значений скорости и глубины, полученные методом перебора на ЭВМ.

Добыть образцы из недр коры — заветная мечта геологов. С этой целью на Земле организуется чрезвычайно сложное и трудоемкое сверхглубокое бурение, расходы на которое соизмеримы с космическими программами. Пока удалось получить керн лишь из верхних слоев базальта в океане и из первых десяти километров на континенте. Бурение на Луне затруднительно. Трубка керна, доставленного на Землю, ограничена длиной 2,7 м. Но сама природа помогла исследователям Луны. Крупные метеориты, падавшие миллиарды лет назад, произвели специфическое космическое сверхглубокое бурение — вырвали из тела коры и разбросали далеко вокруг образцы коренных пород, и люди могут узнать ее состав и свойства.

Верхняя мантия
 

Верхняя мантия сложена ультраосновными породами, обедненными кремнеземом и обогащенными железом и магнием; основные минералы здесь оливин и пироксен. - В последние годы методами взрывной сейсмологии верхняя мантия изучена до глубин 80—100 км, установлена ее сложная, пространственная структура.

Кора Луны, разумеется, изучена гораздо хуже земной, ее исследование только началось, детальные наблюдения проведены лишь в районе Моря Познанного. Однако уже проведенные на Луне измерения представляют огромный научный интерес. Их можно, пусть пока ориентировочно, сопоставить с земными.

Прежде всего на Луне, как и на Земле, кора существует. Ее свойства также меняются не только с глубиной, но, по-видимому, и в горизонтальном направлении. Скорости распространения волн в низах коры и их отношение (коэффициент Пуассона) близки к земным. Судя по всему в определенной мере похож и их состав. Переход к мантии так же, как на Земле, носит сложный характер.

Состав земной коры
 

Судя по измерениям скорости в образцах под давлением, состав земной коры меняется в зависимости от глубины и ее типа — кора океанов и кора континентов, а между ними промежуточные типы.

В коре континентов на глубинах 10—15 км скорость распространения упругих волн примерно соответствует скорости в кислых породах (гранито-гнейсы), содержащих много окиси кремния, на глубинах 15—30 км — скорости приближаются к основным (породы гравулитовой фации с включением интрузий габбро). Низы коры континентов сложены плотной модификацией базальта — эклогитами. В океане консолидированная кора имеет скорости, свойственные кислым и основным породам.

Вблизи подошвы давление в земной коре в зависимости от ее мощности меняется от 2—3 кбар на Тихом океане до 12 кбар в платформенных областях и 18—20 кбар в горных районах Памира и Тянь-Шаня. Температуры при этом достигают 200—300°С в океане, 400°С на платформах и доходят до 1000—1200°С в складчатых горных районах.

Граница Мохоровичича выделена на Земле повсеместно, скорость продольных волн в верхней мантии, как правило, равняется первой космической, однако в рифтовых зонах Земли наблюдается понижение скоростей (7,6— 7,8 км/с), связанное с частичным подплавлением вещества верхней мантии.

Кора земли
 

В коре Земли выделяются две резкие границы: между осадочными породами и кристаллической корой и между корой и мантией (граница Мохоровичича). При переходе через эти границы скорости сейсмических волн возрастают скачком.

В кристаллической коре скорость волн растет с глубиной в среднем от 5,6—6 до 7—7,5 км/с, но характер этого роста даже в пределах одного типа строения коры меняется. На континентах есть районы, где можно выделить дополнительные слои со скачками скоростей, и участки, в которых скорость нарастает плавно, без промежуточных границ. Большой интерес представляют слои, в которых скорости ниже, что объясняется локальным преобладанием роста температуры над давлением, изменением химического состава или фазовыми превращениями.

Кора меняется как по вертикали, так и но горизонтали, ее структура имеет слоисто-блоковый характер. Тонкие слои, зоны пониженной скорости, разломы, области аномального поглощения сейсмической энергии, прерывистые границы и изменения градиента скорости — все это стараются и часто умеют находить специалисты по глубинному зондированию.

Кора Земли и Луны
 

Интересно сравнить сейсмическую структуру коры Луны и Земли. На Земле, исследованная во многих регионах, она чрезвычайно разнообразна и неоднородна по числу слоев, их мощности и величине скоростей.

В океанах кора состоит из слоя осадков и «базальтового» (назван условно, по совпадению скоростей). Ее мощность, не считая слоя воды, не превышает 5—10 км. На континентах, где кора включает между осадками и базальтом слой «гранита» (назван тоже условно), ее толщина увеличивается до 40—45 км.

Под горами имеются «корни» коры до глубины 50—70 км. Таким образом, у гор наблюдается антирельеф поверхности Земли: избытку масс на поверхности соответствует дефицит массы мантии на глубине. Это так называемое явление изостазии вызвано действием закона Архимеда применительно к верхним слоям Земли. Более легкая кора Земли, подобно айсбергам на воде, плавает на плотном мантийном субстрате, выравнивание веса столба коры происходит на глубине нескольких сот километров в мантии.

Высокоскоростной вариант
 

Высокоскоростной вариант можно объяснить двояко: добавкой к оливину 25% шпинеля, имеющего более плотную кристаллическую упаковку, либо фазовым переходом вида анортозит-гроссуалит-киасит-кварц. При этом в интервале давлений и температур, свойственных глубинам 60—100 км на Луне, устойчивой оказывается плотная высокоскоростная структура минерала граната.

Глубже, вплоть до 150 км, освещенных при лунном глубинном сейсмическом зондировании, скорость сейсмических волн уменьшается.

В районе Моря Познанного (между станциями «Аполлон-12 и - 14» и вокруг них) удалось изучить тонкую структуру верхней мантии, залегающей непосредственно под корой. Сюда сбрасывались третьи ступени ракет-носителей всех экспедиций «Аполлон» и здесь же, в 140 км к северу от «Аполлона-14», упал метеорит 13 мая 1972 г. По разнице времени пробега волн до близко расположенных станций «Аполлон-12 и - 14» с учетом угла подхода волн к поверхности удалось определить значения кажущихся скоростей под границей кора—мантия. На северном участке региона скорости составляют 8,1—8,8 км/с, сейсмические трассы направлены к северо-востоку. На южном участке в широтном направлении скорости больше (8,9—9,8 км/с). Еще мало данных, чтобы решить, связано ли это с неоднородностью структуры верха мантии или граница кора-мантия имеет сложный седлообразный рельеф, с подъемом на восток и опусканием на север-северо-восток.

Мантия Луны
 

Варианту низкой скорости соответствует оливино-пироксеновый состав верхов мантии Луны. Эти породы могут служить источником для вплавления лунных базальтов, причем их плотность (3,4 г/см3) не противоречит измеренному моменту инерции Луны.

По мере накопления данных удалось уменьшить эту неопределенность.

Дело в том, что низкие значения кажущейся скорости получались по двум точкам, расположенным на удалении 850 и 1032 км. Однако если воспользоваться опубликованными позже данными о времени первых вступлений волн от удара метеорита 13 мая 1972 г. и падения третьей ступени ракеты «Аполлон-16» (эпицентральные расстояния 967, 1026 и 1099 км), то можно предложить иной вариант интерпретации.

По пяти точкам годографа, расположенным на расстоянии 850—1100 км, методом наименьших квадратов можно вывести прямую с таким же наклоном (R/t=9,2 км/с), как и на участках годографа 184—356 км. Отсюда, по-видимому, можно сделать вывод, что внутри всего региона, заключенного между сейсмическими станциями «Аполлон-12, -15, - 16» (а не только в районе Моря Познанного), в верхах мантии существует высокоскоростной «козырек» мощностью около 40 км (оценка по амплитудным кривым).

Загадки луны
 

Как бы ни были сложны и неоднозначны сейсмические данные по коре, но загадок еще прибавилось, когда обнаружилось, что сейсмическая волна, превысив первую земную космическую скорость, проникает в мантию Луны.

На удалении 338—356 км от станции «Аполлон-12» кажущаяся скорость волны достигает 9 км/с, а на еще больших удалениях (850—1100 км) на трассах к станциям «Апол-лон-15 и - 16» она всего 7,7 км/с. Возможно, сигнал столь слаб, что обнаружены лишь последующие вступления волн, а первые потеряны среди помех? А может быть, высокие скорости в Океане Бурь фиктивные, эффект же вызван подъемом кровли мантии с востока на запад?

Пока данных имелось мало, нельзя было отвергнуть ни одно из измерений. Приходилось рассматривать два варианта объяснений. Либо блок высокоскоростной мантии существует только на юго-востоке Океана Бурь, либо во всем регионе Море Познанное — Апеннины — кратер Декарт в верхах мантии имеется высокоскоростной «козырек». И в этом случае оценить его мощность помогают амплитуды волн — толщина его не должна превышать 40км.

Лунные обломки
 

Однако данных пока мало, и вопрос остается открытым, а формальные совпадения цифр могут привести к казусам. Так, в образцах лунных обломочных материалов скорость продольных волн изменяется в пределах 1,25—1,84 км/с. Подобные же скорости заметил остроумный профессор Андерсон (США) в пищевых сырах: норвежском (1,83 км/с), итальянском (1,75 км/с), швейцарском (1,65 км/с), висконсийском (1,57 км/с). Значит ли это, что Луна состоит из сыра? Кстати, ее верхний слой трещиноват, а многие сорта сыра тоже с дырочками?

Интересно, что независимые оценки глубин верхнего слоя лунной коры по данным глубинного сейсмического зондирования и по характеру рассеяния волн на лунных сейсмограммах совпали — 20—25 км.

На ранее прочтенных сейсмограммах с помощью специальных фильтров удалость дополнительно выделить в последующей части записи вступление поперечных волн, распространяющихся в лунной коре. Время их пробега близко к тому, которое получается по продольным волнам, если принять, что отношение скоростей продольных и поперечных волн 1,72. Такому отношению соответствует величина упругого параметра — коэффициента Пуассона 0,25, которая типична для компактных кристаллических пород.

Простейшая модель коры в Океане Бурь теперь выглядит так: изначальная полевошпатовая, габбро-анортозитовая кора была разбита метеоритами и покрыта излившимися из глубин плотными базальтами.

К сожалению, специальные исследования коры удалось провести лишь в одном районе Луны. Однако косвенные измерения фигуры Луны, смещение центра масс от геометрического и уточнение аномалий силы тяжести свидетельствуют о горизонтальной неоднородности ее свойств. По-видимому, в континентальных районах кора однослойная, габбро-анортозитовая. В восточном полушарии и на обратной стороне Луны ее мощность увеличивается до 150 км, в районах Моря Кризисов и Моря Ясности она сокращается до70—80км.

Загадки верха мантии
 

Для петрографической привязки сейсмических данных нужно сравнить скорости, вычисленные по сейсмограммам, со скоростями в породах различного состава. Измерения проводятся в лабораториях на небольших образцах при помощи коротких ультразвуковых волн при разных давлениях и температуре, имитирующих их рост с глубиной.

На рис. 7 и 10 показаны результаты таких измерений для образцов лунных базальтов, габбро-анортозитов, брекчий и реголита. Здесь же приведены данные для земных минералов: оливина, пироксена, граната.

Возможны два объяснения границы в коре Луны. Это может быть смена химического состава с базальтового на габбро-анортозитовый. Но, может быть, здесь меняется механическое состояние пород одного состава, ведь на глубине 25 км достигается критическое давление 1 кбар, при котором в породах закрываются поры и микротрещины.

Ряд геологов считают, что базальтовые «моря» на Луне не могут быть столь глубокими. О том же свидетельствуют результаты сейсморазведочного эксперимента в районе гор Тавра: кровля коренных пород подсечена на глубине менее 2 км, а скорости в них такие, как в габбро-анортозитах, окружающих горы.

Но если пытаться объяснить с позиции изостазии 4-километровую разницу в средних уровнях «морей» и «континентов» Луны, принимая различие в плотностях базальтов и анортозитов 0,2, то как раз и получается мощность слоя большей плотности около 20 км.

Факт слоистости лунной коры
 

Факт слоистости лунной коры подтверждается и независимыми измерениями силы тяжести со спутника «Апол-лон-15». Теперь идут дискуссии о том, что же именно происходит на глубине 20—25 км. Последующие вступления на годографе на расстояниях 67—135 км от станции (правда, не очень уверенные) могут означать, что здесь скорость возрастает скачком от 5,8 до 6,8 км/с.

Причину этого найти нельзя, если оставаться в рамках только сейсмических данных. Сейсмические свойства — лишь одна, хотя и очень важная, характеристика среды. Для понимания физических процессов необходим комплекс геолого-геофизических данных.

Для выяснения загадки границы внутри коры обратились к образцам лунных пород. Они изучались в лабораториях так тщательно, как, наверное, ни один из земных образцов, и охранялись бережнее, чем бриллиант из романа Коллинза.

Резкое увеличение скорости
 

На глубине 60—65 км происходит резкое увеличение скорости до значений, свойственных мантии Земли (8 км/с и более). Это — граница между корой и мантией. Открытие ее — важное событие в лунной сейсмологии. Подобная граница является глобальной особенностью Земли, одним из двух самых резких сейсмических разделов в ее недрах (вторая особенность — поверхность внешнего ядра). И на Луне существование такой границы теперь не вызывает сомнения.

Однако точная глубина и характер перехода к мантии оставались неясными, пока к времени пробега волн не добавили анализа их амплитуд. Всплески волн в последующей части сейсмограмм, опознанные как отраженные волны от границы кора — мантия, показали, что это, собственно, не граница, а переходная область толщиной не менее 3—4 и не более 10—12 км.

Рис. 10. Скоростная структура корн Луны
 

Различные варианты Г. Латема, М.Токсоца — сплошная и пунктирная жирные линии;

диапазон всех возможных разрезов — тонкая линия. Заштрихованные участки — значения скоростей для пород по лабораторным измерениям

1 — лунные морские базальты,

2 — лунные анортозиты,

3 — земные габбро,

4 — пироксены,

5 — оливины,

6 — гранаты.

В левом нижнем углу — структура верхней части разреза коры

<img src="../luna/image030.jpg" width="227" height="301" class=""/>

Тау-метод
 

Другой, так называемый тау-метод (разработан Э. П. Бессоновой и В. М. Фишманом в Москве) не требует никаких априорных представлений о свойствах разреза. Исходный годограф дифференцируется, и путем математических ухищрений удается для каждого значения скорости построить полосу вероятных глубин. По этой программе лунные данные были обработаны авторами метода совместно с М. Токсоцом.

Все скоростные разрезы, полученные разными методами (рис. 10), имеют общие черты. В верхней трети коры толщиной 20—25 км скорость распространения сейсмических волн быстро растет до значений 5—5,8 км/с, причем характер роста такой же, как у образцов, сжимаемых под давлением. Свойства нижней части относительно стабильны, скорость около 7 км/с. Правда, не ясно, не кажущаяся ли это стабильность: ведь низы коры и на Земле освещаются неточно. Трудно отличить постепенное увеличение скорости от его небольшого уменьшения, а ведь при этом будут существенно разными физические условия, соотношения температур и давления.

Область неоднозначности. Программа Еж
 

Позже была исследована вся область неоднозначности. При этом применялись два метода, разработанные в Институте физики Земли АН СССР.

Первый — метод перебора: рассматривается множество разрезов и оценивается пригодность каждого из них. Такой способ решения обратной задачи известен в науке как метод «проб и ошибок». Он основан на многократном решении прямых задач — на теоретическом расчете синтетических сейсмограмм и их сравнении с наблюдениями.

В ИФЗ АН СССР в Москве создана сложная логическая вычислительная программа «Еж».

Сначала в ходе случайного перебора отыскивается «хороший» разрез (у которого теоретические характеристики близки к экспериментальным с допустимой погрешностью).

Далее «Еж» шаг за шагом, узел за узлом, проходит по многомерной сетке параметров скоростной структуры, «проверяя» соседние разрезы. В результате он обходит всю область возможных ответов. Применяя эту программу, исследователи из университета в Эдмонтоне (Канада) построили скоростную модель лунной коры, соответствующую времени па сейсмограммах с точностью ±0,5 с.

Погрешности наблюдений Луны
 

Наблюдения всегда содержат неизбежную погрешность. Поэтому неоднозначность результатов распространяется на любые типы строения среды. Интерпретаторам, которые частенько представляют разные варианты обработки одних и тех же наблюдений, не стоит сходу отвергать мнения оппонентов. И те и другие, оказывается, могут быть правы: множество разрезов может удовлетворить наблюдениям в пределах точности эксперимента.

Неопределенность уменьшается при увеличении детальности и повышении точности наблюдений, а также при изучении не только времени пробега, но и других характеристик волн: амплитуд, форм колебаний, спектров, их изменчивости во времени и пространстве.

Лунные сейсмограммы обрабатывались несколькими коллективами сейсмологов по-разному. Группы Латема и Токсоца по годографу построили вертикальный скоростной разрез. Для него рассчитали теоретические сейсмограммы и убедились, что они похожи на экспериментальные. В разное время были представлены варианты строения среды, несколько различающиеся небольшими деталями. Все они принадлежат к разряду возможных решений.

Сложность лунного сейсмического эксперимента
 

Но как ни привыкли мы ничему не удивляться в космический XX в., сложность лунного сейсмического эксперимента и значительность его результатов невозможно переоценить. На Луне была открыта кора, определена ее мощность и выделены отдельные слои. Правда, проблема эта решилась не однозначно. В толковании лунных сейсмограмм осталась известная неопределенность.

В последние годы сейсмологи много занимались нахождением единственно правильного решения обратных сейсмических задач. Этому способствовали успехи динамической теории, изучающей распространение сейсмических волн в сложно построенной упругой среде, а также успехи вычислительной математики с использованием электронно-вычислительных машин.

Теоретики из Института физики Земли АН СССР показали, что даже если совершенно точно знать время пробега волн, не всегда можно построить скоростной разрез в единственном варианте. Так, в случае, если имеется зона уменьшения скорости с глубиной — скоростной канал, то сам факт его существования обнаружить можно, а точный облик канала не определить. Множеству скоростных каналов будет соответствовать один годограф.

Таблица 5. Время пробега волн при глубинном сейсмическом зондировании
 

Время пробега волн при глубинном сейсмическом зондировании коры и верха мантии Луны ( ЛМ — лунный модуль, С4В — третья ступень «Сатурна»)

<img src="../luna/image024.jpg" width="394" height="324" class=""/>

Значения времени приведены по разным источникам.

<img src="../luna/image026.jpg" width="256" height="361" class=""/>

Сводка сейсмограмм зондирования лунной коры

По вертикали — расстояние от источника до сейсмометра, по горизонтали — время пробега волн.

Рис. 9. Лунный годограф для коры и верхней мантии

<img src="../luna/image028.jpg" width="250" height="166" class=""/>

Расстояние, км

1 —первые вступления волн,

2 — последующие вступления,

3 — кратные волны.

Приемы выделения волн на сейсмограммах
 

При изучении коры Земли сейсмологи накопили арсенал приемов выделения волн на сейсмограммах, анализа их формы, амплитуд и времени пробега. Разработан специальный метод изучения коры — глубинное сейсмическое зондирование.

Основные идеи интерпретации базируются на выделении небольшого числа опорных волн, отраженных и преломленных в слоях Земли, построении закона пространственного изменения скоростей и рельефа границ. При этом весьма существенно иметь достаточно детальную систему наблюдений, чтобы изучаемый блок коры просвечивался с разных сторон равноудаленными источниками. Говоря специальным языком, нужна система встречных и нагоняющих годографов.

На Луне не было детальной профильной системы, да и всего-то имелось полтора десятка точек на годографе. Пришлось вести интерпретацию по сводному годографу, предполагая, что кора горизонтально однородна по своим свойствам в юго-восточной части Океана Бурь, а верхняя мантия — внутри большого треугольника станций.

Сводный годограф был составлен из редких и весьма неравномерных точек (табл. 5, рис. 8 и 9). На расстоянии от 67 до 356 км имелось 10 точек, причем дистанция, между ними превышала 20 км. Этот интервал соответствует волнам, распространяющимся в лунной коре. Она и была изучена более детально.

Что касается больших дистанций, то там имелось всего пять довольно редких точек на годографе в диапазоне 850—ИОО км. Представления о верхах мантии Луны оказались весьма схематичными.

Другая сложность — отсутствие четких вступлений волн из-за их рассеяния в верхних слоях Луны. Понадобились многочисленные ухищрения, использование узкополосных частотных фильтров, поляризационного анализа, «чистка» записей на ЭВМ, чтобы выделить что-нибудь, кроме первых вступлений. Время вступления первых волн определялось с ошибкой ±0,5 с, последующих — с погрешностью ±1 с.

Из сказанного следует, что полученные данные по надежности уступают земным, в них еще много «но» и «почему», на которых мы остановимся дальше.