Лунотрясения

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.

[Девушка]

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=""/>

[Девушка]

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.

[Девушка]

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.