Лунотрясения

[Девушка]

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

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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).

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.