Лунотрясения

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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=""/>

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.