Таблица 4. Характеристики ударов космических аппаратов
 

(ЛМ — лунный модуль, С4В — третья ступень «Сатурна»)

<img src="../luna/image022.jpg" width="381" height="227" class=""/>

В настоящий момент американскими, советскими, немецкими, а также геофизиками других стран опубликовано более 100 научных статей по сейсмическим исследованиям Луны.

Есть ли на Луне граница Мохоровичича?
 

Итак, четырьмя станциями сети «Аполлон» были прослежены девять падений космических аппаратов и один удар метеорита и получены 14 драгоценных сейсмограмм (табл. 4). Как бы ни были велики и рискованны усилия астронавтов и центра управления полетами для получения этих сейсмограмм, предстояло решить не менее сложную ж важную задачу: обратить эти, столь непривычные и странные записи в картину сейсмического устройства лунной коры.

Большая группа опытных экспертов была привлечена ИАСА для анализа лунных сейсмических записей. Исследования сосредоточились в основном в двух центрах: в одноименных лабораториях Земли и планет Техасского университета (здесь ими руководит Г. Латем) и Массачусетского технологического института (под руководством М. Токсоца). По мере поступления новых данных и продвижения в их обработке ученые публиковали результаты, частично приводя сейсмограммы, годографы, а позже и таблицы времен пробега волн.

Пояса сейсмичности
 

Картина распределения очагов на Луне прояснилась постепенно. Пока действовали две сейсмические станции в западном полушарии — «Аполлон-12 и -14», можно было судить лишь о плоскости эпицентров, но не удавалось их привязать к определенному месту. На сейсмограммах многих сотрясений время пробега на обе станции было очень близким, это значило, что очаги расположены где-то между станциями.

Такая фокальная зона рисовалась как субмеридиональная, протянувшаяся с севера на юг по 20° з. д.

Поразительными были эпицентральные расстояния: около 800 км для любой станции. А ведь станции располагались всего на расстоянии 180 км. Когда после накопления сейсмограмм стало ясно, что ошибки в отсчете времени пробега волн нет, пришло естественное объяснение: очаги расположены глубоко.

После установки станций «Аполлон-15» и «Апол-.10И-16» эта гипотеза подтвердилась. Большой треугольник станций позволял определять координаты эпицентров с точностью до 10—30 км и глубины с точностью до 50 км. И дальнейшем, по мере уточнения скоростной структуры лунной мантии и при использовании процедуры последовательных приближений на ЭВМ, для части очагов удалось. повысить точность определения координат до 1 км и глубин до 20 км.

Крупный метеорит
 

Зато природа наградила сейсмологов: почти месяц спустя, 13 мая 1972 г., в 142 км к северу от сейсмической станции «Аполлон-14» упал довольно крупный метеорит: его размеры 2 м, скорость падения около 20 км/с. От удара образовалась воронка диаметром около 100 м, а сейсмические волны проникли на глубину, которую ранее не удавалось достичь.

Шкалы приборов ближайших станций «Аполлон-12 и - 14» не были рассчитаны на такой мощный удар, зато на дальних станциях на расстоянии 967 км («Аполлон-15») и 1026 км («Аполлон-16») были получены долгожданные записи. Они убедили сейсмологов в существовании на Луне коры и одновременно задали новые загадки,

Экспедиция Аполлон-16
 

Сейсмологи нетерпеливо ждали следующей экспедиции. Экспедиция «Аполлон-16» установила в континентальном районе кратера Декарт четвертую стандартную станцию, завершив создание первой на Луне сейсмической сети. Теперь можно было определить координаты эпицентров достаточно сильных событий.

Однако очередные удары прошли не совсем удачно. Связь со ступенью «Сатурна» прервалась, скорректировать ее траекторию не удалось, и она упала не в намеченной точке, а опять-таки довольно близко от сейсмометров «Аполлон-12» (132 км) и «Аполлон-14» (243 км).

Что касается лунного модуля, то астронавты забыли установить переключатель в нужное положение, поэтому его не удалось сориентировать и затормозить. Он летал по селеноцентрической орбите неизвестно сколько и неизвестно где упал, потому что передатчик на нем уже не работал, и, таким образом, модуль не сыграл намеченной ему роли в лунной сейсмологии.

Удар экспедиции Аполлон-14
 

Выяснить, нет ли глубже на Луне границы, подобной границе Мохоровичича, должен был удар последней ступени ракетоносителя экспедиции «Аполлон-14». Он планировался на удалении 350 км от сейсмометра «Апол-лона-12», однако из-за технических неполадок произошел вдвое ближе. Волны проникли лишь до 30-километровой глубины, и там никаких неожиданных изменений скорости замечено не было.

После установки сейсмической станции «Аполлон-14» его лунный модуль упал в 67 км.

Третья сейсмическая станция была доставлена на Луну в июле 1971 г. экипажем «Аполлон-15». Модуль был сброшен в 93 км от своего сейсмометра. Последняя ступень «Сатурна» упала на удалении 184 км от станции «Аполлон-14» и в 356 от станции «Аполлон-12». В эту пока рекордную по дальности точку волны «бежали» со скоростью выше первой земной космической —8,1 км/с. Результат был волнующим: на Луне тоже есть заветная граница между корой и мантией. Но поскольку точка была пока одна, возникали сомнения, не закралась ли ошибка в определение времени удара или не фиктивно ли увеличение скорости из-за наклона слоев?

Искусственное лунотрясение
 

Каждая экспедиция «Аполлон» имела возможность произвести искусственное лунотрясение дважды; «уронить» в нужную точку Луны третью ступень ракеты «Сатурн-5» и лунный модуль. Первая подлетела к Луне раньше очередного «Аполлона», так что в экспедиции «Апол-лона-12» она не использовалась, ведь сейсмическая станция «Аполлон-11» в Море Спокойствия в это время уже не функционировала.

«Сатурны» по команде с Земли могли направляться в любую точку Луны. Все они были посланы в юго-восточный район Океана Бурь, где находились две сейсмические станции «Аполлон-12 и - 14». Здесь и было изучено строение лунной коры.

Лунный модуль каждой экспедиции уже после установки аппаратуры сбрасывался с селеноцентрической орбиты (высота около 100 км) и падал вблизи «своего» сейсмометра.

Первая сейсмограмма лунного глубинного зондирования появилась на станции «Аполлон-12» от удара своего модуля на расстоянии 67 км.

Следующая — на той же станции от последней ступени ракеты «Аполлона-13» на удалении 135 км. Эти первые уникальные точки на лунном годографе, хотя их было сперва всего две, принесли важные открытия.

Скорость сейсмических волн мизерная у поверхности с глубиной стремительно росла. На трассе ближнего удара она составляла в среднем 3,1 км/с, дальнюю трассу продольная волна «пробежала» со скоростью 4,64 км/с. На максимальной глубине проникания сейсмического «луча» (около 20 км) скорость достигла величины 4,8—5,6 км/с. Характер роста скорости с глубиной совпал с лабораторными измерениями для лунных базальтов под давлением. Казалось, что лунная кора имеет постоянный состав, а рост скорости с глубиной объясняется просто уплотнением.

Взрывные волны
 

Днем и ночью, на суше и на море, с сейсмографами и гидрофонами, непрерывным профилированием и точечным зондированием, на фотобумаге и магнитной ленте записывают сейсмологи взрывные волны, просвечивающие земную кору.

На карте нашей страны сейсмические профили уже образовали причудливую сеть сотен сейсмических разрезов— смотровых щелей внутрь Земли.

И вот к моменту, когда общая длина профилей зондирования превысила половину расстояния от Земли до Луны, был произведен первый сейсмический толчок, зондирующий недра Селены.

Это была остроумная идея — использовать в качестве источников волн отработанные системы космических аппаратов. Такая разновидность космического глубинного сейсмического зондирования представляла комбинацию точечных зондирований и морской методики.

Пункты взрыва и приема
 

В морях, и океанах пункты взрыва и приема меняются местами; движется корабль, подрывая заряды через несколько километров, а приемные станции дрейфуют или стоят на дне на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга.

В труднодоступных районах применяется методика точечных зондирований — станции ставятся в отдельных, довольно редких точках, сейсмические волны возбуждаются взрывами, например, авиабомб, сбрасываемых в ненаселенные районы тайги.

С годами такое зондирование недр приобрело в глазах геологов и геофизиков авторитет опорного метода изучения земной коры. Его результаты помогают разобраться в сложных проблемах эволюции континентов и океанов, в горообразовательных процессах, понять связи глубинных структур с поверхностным рельефом, открыть месторождения нефти и предсказать землетрясения.

Космическое сейсмическое зондирование
 

В ходе экспедиций «Аполлон» проводился активный сейсмический эксперимент по исследованию строения коры Луны. При его подготовке опирались на опыт сейсмических зондирований земной коры. Границу между корой и мантией на Земле открыл югославский сейсмолог Андрей Мохоровичич. По его имени эта граница получила название поверхности Мохоровичича.

В 40—50-е годы советский сейсмолог — академик Г. А. Гамбурцев и его ученики создали специальный активный метод взрывной сейсмологии для исследования коры — глубинное сейсмическое зондирование. При глубинном сейсмическом зондировании путем взрывов зарядов весом в десятки и сотни килограммов вызываются искусственные землетрясения. Их регистрируют сейсмические станции на удалении нескольких сотен километров, при этом сейсмические волны освещают кору и верх мантии Земли до глубины нескольких десятков километров. Наблюдения ведутся непрерывно вдоль линий (профилей), сейсмографы ставятся через 100—200 м. Взрывы проводятся на концах, в середине и вне профилей. В труднодоступных районах Земли непрерывное наблюдение возможно лишь на небольших отрезках. Это кусочно-непрерывная методика.

Нупругие тепловые потери
 

Что касается неупругих тепловых потерь, то в обоих регионах они близки. Фактор диссипации (сейсмическая добротность Q) растет пропорционально корню квадратному из частоты колебаний. Нижний предел значений Q для разреза мощностью несколько километров (Qр&gt;2000) на порядок выше, чем на Земле.

Найдена эмпирическая зависимость числа рассеивателей (N) от их размеров (D) lg N (на 1 км2) = (4,0—4,1)— - 1,5 lg De (м).

Рассеивателей с эффективным диаметром De&gt;10 м оказывается на Луне около 300 на 1 км2. При увеличении диаметра вдвое число рассеивателей возрастает в 2,8 раза. Интересно, что распределение рассеивателей похоже на распределение числа метеоритных кратеров на поверхности (кратеров с диаметром 10 м оказывается около 700 на 1 км2). По-видимому, в рассеянии сейсмической энергии на Луне значительную роль играют не только приповерхностные слои, но и особенности рельефа.

Как видим, не зря ездили по Луне астронавты: сейсмический КПД лунных маршрутов весьма высок, в том числе и для земных проблем. Новый теоретический подход может быть с успехом применен (и уже применяется в несколько иных вариантах) для расшифровки сейсмограмм землетрясений.

Диффузивные свойства сейсмических волн на Земле на сопоставимых дистанциях оказались, как это ни странно, сходными с лунными. Основное различие в облике сейсмограмм связано с поглощением (диссипацией), а не рассеянием энергии. Для описания распространения сейсмических волн на Земле нужна теория, представляющая комбинацию диффузионного и волнового подхода.

Анализ луноходных сейсмограмм
 

Анализ луноходных сейсмограмм позволил определить новые физические параметры среды и сопоставить по этим параметрам два селенологически разных региона, разделенных тысячекилометровой дистанцией.

Экспериментально подтверждено предсказание теории о том, что диффузивность уменьшается с ростом частоты (от 0,03 км2/с на 4 Гц до 0,02 км2/с на 8 Гц). Таким образом, рассеяние на высоких частотах сильнее. Рассеяние энергии происходит в основном вблизи сейсмометра, и притом в виде объемных волн.

Интервал свободного пробега (вероятность рассеяния) уменьшается с ростом частоты, поскольку рассеяние растет, а диффузивность падает. Для типичного разреза верхних слоев (реголит мощностью 4—12 м со скоростью распространения волн 100 м/с, подстилаемый слоем брекчий, где скорости волн 300 м/с) средний интервал свободного пробега волн около 100 м.

Горный район кратера Декарт, сложенный более древними породами, оказался однороднее района Апеннин, диффузивность в нем (0,022—0,033 км2/с) в полтора раза выше, чем в районе работ «Аполлона-15». Это различие превосходит возможные ошибки измерений.

Луноходы одинаковой конструкции и одного веса, двигаясь со сравнимой скоростью, на кратере Декарт возбуждали более интенсивные волны, чем в Апеннинах. Это хорошо увязывается с обсуждавшимися выше результатами активной сейсморазведки: на кратере Декарт слой реголита мощнее и скорость распространения волн в подстилающих слоях брекчий ниже. К тому же и сейсмичность (число лунотрясений) здесь в несколько раз выше, чем в Апеннинах. Словом, наблюдается хорошо известный в земной сейсмологии эффект: в районах рыхлых и мощных осадков сейсмические колебания интенсивнее, чем на коренных породах.

Сейсмическая среда
 

Теория хотя и не вполне математически строго, но достаточно хорошо объясняет все наблюдаемые особенности сигналов. Сейсмическая среда предполагается двумерной, рассеиватели разных размеров вкраплены в нее случайно, потери сейсмической энергии связаны с процессами рассеяния и поглощения. Поглощение, как это обычно принято в земной сейсмике, количественно оценивается безразмерным коэффициентом — добротностью — величиной обратно пропорциональной неупругим потерям энергии волны на одном цикле колебаний. Для характеристики рассеяния вводятся параметры: диффузивность и интервал свободного пробега волны.

Диффузивность пропорциональна скорости распространения волны и интервалу свободного пробега. Она тем выше, чем меньше потеря энергии при рассеянии. Теория объясняет наблюдаемые особенности сигналов: плавные вариации амплитуд, постепенный рост амплитуд после начала движения, их плавный спад после остановки лунохода. Объяснена также и совсем неожиданная закономерность: при движении лунохода от сейсмической станции сигналы накладываются друг на друга более благоприятно, чем при движении по направлению к сейсмометру. Поэтому максимальная амплитуда интерференционною колебания оказывается раза в три больше при удалении лунохода.

Особенность луноходного эксперимента
 

Лунная ситуация представляет комбинацию первых двух случаев. Особенность луноходного эксперимента по сравнению с ударами космических аппаратов состоит в том, что луноходы излучали в грунт упругие волны, которые на всем пути до сейсмометра (4 км) распространялись в сильно рассеивающей среде.

Иосио Накамура из геофизической лаборатории морского института Техасского университета предложил для объяснения «сейсмолуноходных сюрпризов» теорию, названную им сейсмической диффузионной. Вместо детерминистического решения уравнений вводится вероятностно-статистическое описание «блужданий» волн среди бесчисленных контрастов неоднородностей, напоминающее броуновское движение молекул.

Особая благоприятность применения такого подхода к лунным сейсмограммам связана со специфическими физическими свойствами приповерхностного слоя:

1) высокая неоднородность (трещиноватость) обусловливает интенсивное рассеяние волн; 2) почти полное отсутствие летучих элементов приводит к малому поглощению (неупругим тепловым потерям) энергии;

3) высокий градиент скорости в верхних слоях создает приповерхностный сейсмический канал и нарушает похожесть записи на разных компонентах сейсмометров. Именно для лунного случая можно говорить о полном рассеянии, потере первоначального направления распространения сейсмической волны.

Что общего между передвижением транспорта и сейсмологией
 

Казалось бы, что общего между передвижением транспорта и сейсмологией? Земной опыт свидетельствует скорее об отсутствии связи между ними. Движение и работа механизмов создают помехи, от которых при сейсмических исследованиях стараются избавиться: работают по ночам, вдали от населенных пунктов и дорог, в безветрие и штиль.

На Луне, по крупицам собирая уникальные данные, исследователи обратили дрожание реголита под колесами луноходов в информацию о физических свойствах верхних слоев Луны.

Именно для этого случая, когда ввиду малых дистанций между источником и приемником распространение сейсмических волн происходит в верхнем, наиболее трещиноватом слое, лучше всего подошли представления о детерминированно-случайном процессе многократного рассеяния волн на скоростных неоднородностях.

Распространение волн в случайно неоднородной среде рассматривалось в атмосферной акустике и в гидроакустике и недавно введено в земную сейсмику. В зависимости от соотношения длин волн (Л) и размеров неоднородности (D) возникает три ситуации. При Л&gt;&gt;D имеет место так называемое релеевское рассеяние, когда амплитуда волн пропорциональна квадрату радиуса неоднородности и четвертой степени частоты, f(A~D2f4)- При сопоставимых размерах Л~D амплитуда рассеянной компоненты пропорциональна размеру неоднородности и квадрату частоты (А~DF2). При длинах волн, много меньших размеров неоднородности Л&lt;D, распространение хорошо описывается детерминированным волновым уравнением, амплитуда убывает обратно пропорционально дистанции в соответствии с геометрическим расхождением — увеличением фронта волны (A~D-1).

Луноходный эксперимент
 

31 июля 1971 г. во время работы в районе Апеннин экспедиции «Аполлона-15» на Землю с Луны поступили странные сигналы. Как и при ударах космических аппаратов, амплитуда записи медленно нарастала и плавно спадала. Но всплески были короткими, продолжались не часы, а минуты. Источник, судя по всему, находился недалеко от сейсмометров. Спектральный состав сигналов был относительно высокочастотным, именно поэтому такие эпизодически возникающие помехи ощущал лишь вертикальный 1-герцовый сейсмометр.

Разгадка пришла, как только сравнили время фиксации странных сигналов с расписанием поездок астронавтов Скотта и Ирвина на четырехколесном вездеходе к предгорьям Апеннин и к Борозде Хэдли. Вездеход весил вместе с астронавтами 700 кг (земных) и развивал на каменно-пустынном грунте скорость до 10 км/ч. Картина (теперь уже заранее предсказанная) повторилась в апреле 1972 г. во время работ в районе кратера Декарта экспедиции «Аполлона-16».

Сейсмические свойства лунного грунта
 

Сейсмические свойства лунного грунта заметно отличаются от земных грунтов низкими скоростями сейсмических волн и высоким коэффициентом Пуассона.

Сравнение лунного грунта с различными грунтами Земли показано на рис. 7. Несмотря на большое разнообразие земных грунтов, непросто подыскать для лунного реголита сейсмический аналог на Земле. Скорости продольных волн в реголите близки к тем, которые зарегистрированы в придонных океанических илах Земли, состоящих из смеси трех фаз вещества — твердых частиц, жидкостей и газов. При распространении волн в придонных осадках наблюдается и специфическое затягивание, и скоростное рассеивание сигнала, известное в акустике как «фаза Эйри». Но аналогия эта чисто внешняя — грунт Луны сух, в его порах нет воздуха.

По величине и отношению скоростей ближе всего подходит к лунному реголиту земной чернозем. Скорости в слое брекчий сродни тем, которые наблюдаются в обломочных материалах, слагающих окрестности вулканических кратеров, например кратеров Камчатки.

Диаграмма скоростей продольных волн для грунта Луны и Земли
 

Рис. 7. Диаграмма скоростей продольных (Vр и поперечных (Vs) волн для грунта Луны и Земли.

<img src="../luna/image020.jpg" width="198" height="178" class=""/>

Показаны расчетные прямые для соответствующих соотношений скоростей Vр/Vs

Луна:

1 — реголит,

2 — брекчии,

2 — трещиноватый базальт;

Земля:

4 — чернозем,

5 — сухой песок,

6 — лёсс,

7 — глинозем.

Прямые — расчетные зависимости для указанных величин Vр/Vs

Результаты изучения верхней части лунного разреза
 

Каковы основные результаты изучения верхней части лунного разреза?

Луна разделена на отдельные слои, скорость продольных и поперечных волн растет с глубиной от слоя к слою скачком. Градиент этого роста нельзя объяснить простым уплотнением пород под действием их веса, он обусловлен сменой генетического и химического состава.

Повсеместно поверхность Луны покрыта однородными слоями реголита и брекчий. Мощность реголита меняется в разных районах от 2 до 12 м, скорость продольных волн 90—115 м/с, поперечных—35—37 м/с, отношение скоростей продольных и поперечных волн — 2,7—2,9, соответствующее значение упругого параметра — коэффициента Пуассона 0,42—0,43, плотность 1,5—1,6 г/см3, пористость выше 50%.

В слое брекчий скорость продольных волн 300±50 м/с, отношение скоростей 2,2—2,4, коэффициент Пуассона 0,37—0,4, плотность 1,7—1,8 г/см3, мощность 18—38м.

Отмечена горизонтальная изменчивость свойств этих, в общем довольно однородных, слоев.

Самый тонкий слой реголита обнаружен в Море Познанном (1—3,5 м), в Апеннинах он увеличивается до 1,5—5,5 м, в районе Тавра равен 5,1—5,7, во Фра-Мауро 8,5—8,7, на кратере Декарт 12,4—13,0 м. Интересно, что в том же порядке растет мощность второго слоя брекчий (18, 21, 28, 38 м) и уменьшается скорость волн в нем.

Но самое важное — обнаружена тесная связь между физическими свойствами слоев и числом лунотрясений, зарегистрированных на сейсмической сети «Аполлон»: чем больше мощность, тем сейсмичнее регион. Подобные эффекты имеют место и на Земле — чувствительность сейсмических станций, установленных на рыхлых осадках, гораздо выше, чем на скальных породах.

Скорости поперечных волн
 

Скорости поперечных волн удалось определить по записям длиннопериодных сейсмометров основной сейсмической сети «Аполлон», вернее, по отношению их амплитуд на горизонтальных и вертикальных сейсмометрах.

Из теории известно, что в поверхностной сейсмической волне частички грунта совершают движение по эллипсу. Соотношение осей (эксцентриситет) эллипса зависит от распределения по глубине упругих параметров: скоростей продольных и поперечных волн и плотности. К сожалению, поверхностные волны «разбиты» из-за рассеяния на неоднородностях, так что четких вступлений выделить не удается и соответственно нельзя использовать такие важные их свойства, как фазовые и групповые скорости и дисперсионные кривые. Но можно узнать кое-что по характеру орбит частиц в поверхностной волне, т. е. по особенностям записи вертикальной и горизонтальной компонент движения грунта.

Такую попытку предприняли сотрудники Института геофизики Гавайского университета в Гонолулу. Они построили спектральные отношения амплитуд для горизонтальной и вертикальной компонент движения грунта в диапазоне частот 0,8—20 Гц. Использовались сейсмограммы, полученные при ударах отработавших ступеней и метеоритов на сейсмических станциях «Аполлон-12, - 14 и -15». Затем рассчитали теоретические отношения амплитуд для большего числа моделей с правдоподобными значениями упругих параметров и отобрали те из них, для которых теоретические расчеты оказались похожими на результаты наблюдений.

Эксперименты на Луне
 

Уникальные сейсморазведочные эксперименты на Луне ввиду их дороговизны и технической сложности проводились по очень простой схеме. По опубликованным графикам зависимости времени пробега волн от расстояния (годографам) можно оценить погрешности построений. Судя по встречным ветвям годографов гипотеза горизонтально однородной слоистости, лежащая в основе интерпретации материалов, подтверждается с точностью до 10%- Сопоставляя значение скоростей и мощностей для разных слоев и исследованных районов, следует иметь в виду, что они получены с погрешностью 5—10%.

Б сейсморазведочных наблюдениях «Аполлона-14, - 16 и - 17» использовались только вертикальные сейсмометры и потому были изучены лишь скорости продольных волн. Для полного описания свойств упругой среды нужно знать еще скорость поперечных волн и плотность пород. Плотность измерена при посадках на Луну автоматов «Сервей-ер» и в земных лабораториях на образцах, доставленных с Луны. У реголита плотность составляет 1,6—1,7 г/см3, у брекчий — 1,8—1,9 г/см3.

Харрисон Шмитт
 

Харрисон Шмитт, первый участвовавший в лунных экспедициях профессиональный ученый-геолог, и командир корабля Сернан провели сейсморазведочный эксперимент довольно большого масштаба и объема.

Четыре высокочастотных сейсмометра были установлены по вершинам и в центре треугольника со стороной 100 м. Вокруг на расстоянии от 100 м до 2,7 км были после отлета астронавтов по команде с Земли подорваны девять зарядов весом от 60 г до 2,7 кг. Падение лунного модуля пришлось на дистанции 8,7 км. В результате изучена слоистая скоростная структура до глубины более 1,5 км. Вверху располагается 5-метровый слой реголита, скорости распространения волн в котором близки к скоростям, полученным в двух других исследованных районах (100+10 м/с).

Под ним залегает также повсеместно отмеченный слой брекчий мощностью около 25 м со скоростями распространения волн 300—350 м/с. На глубине около 200 м найдена граница между слоями со скоростями 475—500 и 900—1000 м/с. Исходя из геологической ситуации в долине Тавр-Литтров, можно думать, что эти слои представляют собой излияния базальтов раннего возраста и различной степени трещиноватости. И лишь на 1385 м отмечен скачок скорости до 4,7 км/с. Он трактуется как переход к коренным породам типа габбро-анортозитов, слагающих хребет Тавр. Глубина кровли коренных пород хорошо согласуется с отмеченной здесь аномалией силы тяжести в редукции Буге (30— 40 мгал) (рис. 6, в).

Аполлон-17
 

Для уточнения характера роста скорости нужно было осветить промежуточные глубины — несколько первых километров лунного разреза. Такие специальные наблюдения проводились в месте посадки «Аполлона-17» в декабре 1972 г.

Район работ находился в северо-восточной части видимой стороны Луны, близ горной пени Тавр и кратера Литтров. Здесь по косвенным признакам геологи надеялись найти проявление молодого вулканизма.

К большому сожалению ученых эта экспедиция была последней. Но зато она оказалась самой значительной по результатам. Экипаж «Аполлона-17» поставил несколько своеобразных рекордов: наибольшая продолжительность пребывания на орбите и на Луне, максимальная продолжительность полета, наибольшая длительность выходов на поверхность и протяженность поездок на луноходах и, наконец, наибольший вес привезенных геологических образцов.

Волны в верхнем слое Луны
 

Оба сейсморазведочных эксперимента показали, что в верхнем слое Луны волны движутся с очень низкими скоростями. Но к этому времени уже знали, что на глубине около 10 км скорость волн «нормальная», свойственная кристаллическим породам (около 5 км/с).

Получалось, что наблюдаемый градиент роста скорости (2 км/с на 1 км) намного выше, чем при простом сжатии. Последнее изучалось в лабораторных условиях, где давление повышали до 50 бар, что соответствует на Луне давлению на глубине 1 км. Но при этом градиент не превосходил 0,4—0,8 км/с на 1 км.

Сейсморазведочный эксперимент
 

Сейсморазведочный эксперимент по сходной методике был повторен в апреле 1972 г. экипажем «Аполлона-16» в холмистом предгорье кратера Декарт, в типично континентальном районе Луны.

Астронавты Янг и Дьюк поставили здесь стандартную региональную сейсмологическую станцию, а также три высокочастотных сейсмометра, которые записали 15 ударов на удалении до 100 м, реакцию взлета лунного модуля на расстоянии 150 м и выстрелы двух гранат весом 50 и 100 г на дистанции до 500 м (они выполнялись по команде с Земли через месяц после отлета астронавтов).

Разрез, освещенный до глубины 200 м, включает слой реголита мощностью 12,7 м, где скорость распространения волн 114 м/с, и подстилающий его слой со скоростью продольных волн 250 м/с (рис. 6, б).

Сходство сейсмических характеристик двух районов, удаленных более чем на 1 тыс. км, тем более поразительно, что химический состав коренных пород здесь различен. В районе Фра-Мауро это преимущественно темные морские базальты, а в районе кратера Декарта — светлые анортозиты. По-видимому, решающую роль для сейсмических свойств верхних слоев играет механическое состояние пород. В обоих районах слой обломочного материала покрывается реголитом.

Сейсморазведка
 

По времени прихода волн простейшим методом первых вступлений, принятым в земной сейсморазведке, американские геофизики Р. Ковач и другие определили структуру верхних слоев Луны. Выделено три слоя, в которых продольные волны бежали с различными скоростями. В верхнем слое толщиной 8,5 м отмечалась скорость 104 м/с.

Судя по тому, что похожие скорости наблюдались в привезенных из кратера Фра-Мауро и изученных в земных лабораториях образцах, этот слой представляет лунный реголит. Первые сообщения о свойствах лунного реголита передали еще раньше автоматические станции «Луна» и «Сервейер». Скорость продольных волн в слое пыли толщиной несколько сантиметров по этим оценкам еще меньше — около 40 м/с.

Под реголитом залегает слой, в котором скорости волн достигают 300 м/с. Мощность его из-за недостатка данных определена неточно: от 19 до 76 м. Скорее всего это слой обломков, брекчий, насыпанных в районе Фра-Мауро при ударном образовании Моря Дождей. Под брекчиями до глубины более 400 м протягивается слой со скоростью 386 м/с (рис. 6, а).

<img src="../luna/image018.jpg" width="444" height="348" class=""/>

Рис. Скоростная структура верхней части разреза по результатам активного сейсмического эксперимента в районах кратеров Фра-Мауро (а), Декарт (6), Тавр-Литтров (в) (верхняя часть разреза показана в увеличенном виде)

Правая часть колонок — опубликованные результаты М. Купера и др., левая — вариант с оценкой погрешности определения глубин и скоростей По вертикали — глубины, м.в колонке — скорости продольных волн м/с.

Разведка верхних слоев
 

После 15-месячного перерыва 5 февраля 1971 г. на Луну была доставлена очередная сейсмическая станция. Экипаж «Аполлона-14» установил ее в районе кратера Фра-Мауро, в 180 км от первой действующей станции. Но на этом сейсмическая программа экспедиции не закончилась.

Астронавты Шепард и Митчел расставили в направлении север — юг через 47 м три высокочастотных (10-герцевых) сейсмометра. Затем через каждые 4—5 м они произвели 13 калиброванных ударов по грунту. Более далекий толчок на расстоянии 178 м дала реактивная струя при взлете лунного модуля. Кроме того, на профиле были поставлены установки для запуска гранат. Однако из-за неудачного расположения аппаратов, выстрелы пришлось отложить до окончания работы других приборов. Гранаты были запущены по команде с Земли и упали на расстояние до 524 м.

Использование новой модели для твердой Земли
 

Обоснование и первое использование новой модели для твердой Земли провел в 1967 г. А. В. Николаев (ИФЗП АН СССР). Для описания мелкой неоднородности он ввел I новый параметр — сейсмический коэффициент мутности, Подобно тому как объем тела характеризует его величину, но не говорит о форме, коэффициент мутности — эффективный параметр. Он позволяет расставить среды в ряд по степени неоднородности, хотя и не дает их точной характеристики. В зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану было обнаружено, что кора «мутнее» мантии и среда в целом становится «прозрачнее» при переходе от континента к океану.

Не все геофизики приняли новую модель охотно. Но пока на Земле шла дискуссия (мутна ли среда и удобна ли детерминированно-случайная модель?), начался сейсмический эксперимент на Луне. Первые же лунные сейсмограммы не оставили сомнений в жизнеспособности новых подходов.

Получилось так: земные сейсмологи пробивались от детерминированной модели к случайной. А лунная сейсмограмма была столь переполнена «случайностью», что извлечь из нее надежные сведения о глубинном устройстве нашего спутника оказалось делом не простым. Можно сказать, что земная сейсмограмма — это лунная, хорошо профильтрованная самой средой.

Устройство Земли
 

С помощью ЭВМ можно просматривать большое число вариантов устройства Земли и выбирать модели, для которых совпадают расчетная и составленная по наблюдениям волновые картины. Но оказалось, сколько ни усложняй модель, ни увеличивай число слоев и параметров, хорошего совпадения не получишь, пока остаешься в рамках так называемых детерминированных моделей, предусматривающих точное знание всех параметров среды.

Предельная деятельность уменьшает точность, получается «ничего обо всем». Наоборот, сильное упрощение модели означает знание «всего ни о чем».

Выход был найден в идее использования детерминирования случайной модели: начиная с некоторого уровня детальности свойства среды описываются лишь статистически «в среднем». Такие модели в последние 10—15 лет Применяются в радиофизике, гидро - и атмосферной акустике. Житейски известные эффекты — мерцание звезд, И замирание радиосигналов — это не что иное, как флукгуанции амплитуд сигналов на мелких неоднородностях атмосферы.

Характер лунных сейсмограмм
 

Характер лунных сейсмограмм подтверждает целесообразность введения в земную сейсмологию детерминировано случайной скоростной модели среды.

На этом вопросе следует остановиться подробнее. Сейсмология существует несколько десятков лет. За это время она добилась значительных успехов: открыты оболочки Земли, исследованы очаги землетрясений, разведаны полезные ископаемые и т. д.

Одна из задач сейсмологии — увидеть в записи колебаний поверхности, в сейсмограмме, образ недр планеты. Она именуется «обратной» сейсмической задачей (в отличие от «прямой» — рассчитать для заданной модели волновую картину). Поскольку реальная Земля сложна, при анализе материалов выбирают упрощенную модель, более или менее соответствующую натуре. Модель становилась сложнее по мере уточнения знаний о Земле и совершенствования теории распространения сейсмических волн, особенно в связи с внедрением в геофизику электронно-вычислительных машин.

Степень рассеивания в горизонтальном направлении
 

Степень рассеивания в горизонтальном направлении оказалась в 10 раз больше, чем по вертикали, значит, рассеиваются главным образом поверхностные волны. Теперь ясно, почему нет четких вступлений отдельных волн на лунных сейсмограммах — они разбиваются о многочисленные трещины, кратеры, борозды.

Сейсмограммы от лунотрясений, изученные подобным же образом, дали похожую, хотя и менее яркую, картину рассеяния, поскольку очаги лунотрясений находятся на большой глубине и волны от них пересекают рассеивающий слой один раз, притом в вертикальном направлении.

Из сравнения расчетных кривых с сейсмограммами удалось определить сейсмическую добротность рассеивающего слоя — величину, обратную ослаблению амплитуд волн на одном периоде колебаний. Она оказалась на Луне чрезвычайно высокой, около 5000, в 10—100 раз выше, чем в коре Земли. Объясняется это сухостью и отсутствием воздуха в пористых породах Луны. Когда земные образцы исследовали в лаборатории при низком давлении (10~2 атм), их добротность возрастала в 5 раз.

Рассеяние волн
 

Выяснилось, что рассеяние волн происходит в приповерхностном слое. До удалений на расстояние 150 км время нарастания амплитуд увеличивалось, а потом оставалось постоянным. Если это объяснять прониканием сейсмических лучей глубже рассеивающего слоя, то мощность слоя должна быть 15 км для частоты 1 Гц и 20—25 км для 0,5 Гц. Этот слой изобилует скоростными неоднородностями. Их преобладающий размер 2—5 км, а плотность, судя по соотношению амплитуд на разных частотах, уменьшается с глубиной. Это понятно, поскольку рассеивание связано в основном с трещинами, которые закрываются по мере роста давления (рис. 5).

<img src="../luna/image016.jpg" width="153" height="161" class=""/>

<i>О</i><i>20 90</i><i>00 </i><i>мин</i>

Рис. 5. График, показывающий ослабление амплитуд сейсмических волн во времени

1 — земные сейсмограммы на скальном грунте,

2 — земные сейсмограммы на слое осадков,

3 — теоретическая кривая для диффузионного рассеяния,

4 — экспериментальная кривая для Луны. По вертикали — квадрат амплитуды, по горизонтали — период колебаний

Особенности распространения волн
 

Особенности распространения волн в случайно неоднородной среде могут быть описаны диффузионной теорией (аналогично броуновскому тепловому блужданию молекул).

Сотрудники отделения Земли и планет Массачусетского технологического института (США) на основе диффузионного уравнения изучили изменения амплитуд сейсмических волн во времени.

Параметрами уравнения являются свойства среды: скорости продольных и поперечных волн, коэффициенты рассеяния по горизонтали и вертикали, коэффициент поглощения или обратная величина, сейсмическая добротность. Для различных комбинаций этих параметров с помощью ЭВМ были рассчитаны теоретические кривые. Они сравнивались с сейсмограммами, полученными на станциях «Аполлон-12, - 14 и - 15» при ударах космических аппаратов на расстоянии 67—365 км.

Причина «сейсмозона»
 

Группа сейсмологов, объединенных НАСА для анализа лунных сейсмических материалов, предложила гипотезу рассеяния. Она предполагает сильную неоднородность лунного вещества из-за трещиноватости, рожденной ударами метеоритов. Сейсмические волны в такой среде многократно отражаются, рассеиваются на мелких неоднородностях, а изначальный сигнал затягивается.

Для проверки гипотезы в лаборатории провели моделирование: взяли стальную пластинку (размером 1000Х600Х2 мм), испещрили ее случайно расположенными отверстиями (размер 30X3 мм, плотность 400 отверстий на 1 м2) и просветили ее ультразвуковыми волнами (длина которых в 4 раза меньше отверстия). Получилась сейсмограмма, напоминающая (в соответствующем масштабе) лунную.

Гипотеза дисперсии
 

Сторонники гипотезы «дисперсии» объясняли растягивание записи различной скоростью пробега компонент поверхностных волн, имеющих разные периоды. Согласно расчетам, если тонкий слой, в котором скорость распространения поперечных волн менее 100 м/с, лежит па жестком основании, имеющем скорость продольных волн около 2 км/с, то даже при разнице периодов колебаний на 0,3 с скорости радиочастотных компонент будут различаться в 50 раз. На дистанции 135 км высокочастотные колебания запоздают па 74 мин.

Возможен и другой эффект: волны бегут в верхнем низкоскоростном слое— «сейсмическом канале», многократно отражаясь от его кровли и подошвы. Аналогичные явления известны на Земле, например подводный звуковой канал в океане, который используется при дальней связи в мореходстве. На Луне ситуация для сверхдальнего пробега волн благоприятнее. Там нет ни воздуха, ни воды, поэтому ничтожно малы неупругие тепловые потери энергии волн.

Аполлон
 

Пока по техническим причинам задерживался вылет очередного «Аполлона», на страницах научных журналов разыгралась «борьба идей», претендующих на объяснение лунного «сейсмозона». Не все гипотезы были собственно сейсмическими.

Так, специалисты по аппаратуре некоторые особенности записи приписывали специфике согласования емкостного датчика со схемой преобразования сигнала. Появилась и баллистическая гипотеза: удар поднял многотонное облако пылинок, которое пронеслось над поверхностью и «просыпалось» на сейсмометры.

Все же большинство авторов апеллировало к особенностям распространения сейсмических волн. Теоретики подсчитали, что так долго должен звучать однородный шар из-за совместного эффекта отражения, рассеяния и дифракции волн от его искривленной поверхности (однако вскоре стало ясно, что Луна имеет слоистое строение).

Лунные записи
 

Лунные записи почти не имеют земных аналогов. Амплитуда колебаний поверхности Луны сперва растет, достигая максимума на 5—15 мин, а потом медленно, часами, ослабевает. На Земле записи взрывов и землетрясений на расстоянии нескольких сотен километров длятся менее 1 мин, если станция стоит на скальном грунте. В мощных осадках или ледовом покрове волны распространяются не более 10 мин.

На лунных сейсмограммах нечетки вступления объемных (продольных и поперечных) волн и практически отсутствуют фазы поверхностных волн, форма колебаний на

<img src="../luna/image014.jpg" width="347" height="263" class=""/>

Рис. Пример лунных сейсмограмм, полученных от приливных(а) и тектонических (б) лунотрясений и падений метеоритов (в) вертикальном и горизонтальных сейсмометрах не повторяется (рис. 4).

Высадка на Луну
 

С нетерпением ждали ученые новой экспедиции. Но высадка на Луну астронавтов, летевших на «Аполлоне-13», не состоялась. Однако в отношении сейсмики полет этот по был безрезультатным.

Третья ступень космической ракеты «Сатурн-5», сообщившая «Аполлону» вторую космическую скорость, отделившись от него, тоже летела к Луне (астронавты даже видели ее из иллюминатора). 14 апреля 1970 г. 15-тонный аппарат со второй лунной космической скоростью (2,5 км/с) упал на расстоянии 135 км от сейсмометров в районе Моря Познанного. Удар был эквивалентен 10-тонному взрыву тротила.

На этот раз энергия сейсмических волн (5 • 1012 эрг) соответствовала землетрясению 5—6 класса, и колебания на сейсмограмме не затухали 4 ч.

Странные сейсмограммы
 

Первое искусственное лунотрясение произошло 20 ноября 1969 г. После старта с Луны и перехода астронавтов в «Аполлон» лунный модуль был отброшен. Беззвучно прочертил он пологую траекторию в черном небе Луны и врезался в ее поверхность на расстоянии 67 км от накануне открытой сеймической станции «Аполлон-12».

Удар 2,5-тонного аппарата на первой лунной космической скорости (1,7 км/с) был эквивалентен взрыву заряда тротила массой 800 кг, его сейсмическая энергия 3-Ю10 эрг. С поверхности поднялось многотонное облако пыли. Через 23,5 с дрогнул маятник сейсмометра. Еще через секунду сигнал достиг анализирующих устройств на Земле и... понадобились долгие месяцы, прежде чем сейсмологи оправились от неожиданности: колебание поверхности Луны продолжалось целый час.

Скорость сейсмических волн в Земле
 

Скорость сейсмических волн в Земле в целом растет с глубиной, поэтому сейсмические «лучи», загибаясь, приносят к поверхности информацию о физических условиях на глубине. Кроме того, Земля расслоена в направлении от поверхности к центру. Волны отражаются от резких границ между слоями и возвращаются к поверхности. Для анализа сейсмических данных на Земле развиты определенные представления, алгоритмы и аппарат интерпретации, согласно которым волновое поле разбивается на опорные группы волн, соответствующие различным слоям.

Этот опыт нельзя было использовать на Луне. Сейсмологам пришлось, начиная с 1969 г., учиться интерпретации заново. Лунная сейсмика оказалась и проще и сложнее земной. Она просто совсем другая.