Внешний слой Земли, литосфера, состоит из полутора десятков жестких несущих кору плит, которые движутся по подстилающей мантии, перестраивая континенты, образуя горные цепи, создавая и уничтожая океаны.
Что вызывает эту постоянную перестройку? В конечном счете движущей силой является конвективная циркуляция мантии.
Мантия — это твердое тело, разогретое, однако, настолько, что за геологическое время деформируется и течет.
Новая литосфера формируется в срединно-океанических хребтах, где поднимающаяся горячая магма внедряется между расходящимися плитами. Поступающее к поверхности вещество распространяется в обе стороны от хребта и затем погружается обратно в мантию в океанических желобах, где сталкиваются две плиты.
Хотя эта модель и является общепринятой, происхождение поднимающегося вещества и судьба столкнувшихся плит — как и вообще детали мантийных течений — остаются пока неизвестными и недоступными для изучения методами «классической» геофизики.
За последние несколько лет получила развитие так называемая сейсмическая томография — новый метод анализа, дающий надежду на существенное обогащение наших знаний о внутреннем строении Земли, в том числе и о картине течений в мантии.
Как и ее медицинский аналог — томография с компьютерным обеспечением, — сейсмическая томография комбинирует данные регистрации множества волн, распространяющихся по взаимно пересекающимся трассам, и выявляет трехмерную структуру среды, через которую прошли волны.
Для медицинской томографии средой является человеческое тело, а источником волн — генератор рентгеновского излучения. Наибольшую информацию о недрах Земли несут сейсмические волны, возбуждаемые землетрясениями.
Проходя сквозь Землю, они затухают незначительно: землетрясение умеренной силы порождает волны, которые фиксируются сейсмографами в любой точке Земли.
Сейсмические исследования, проведенные в последние 70 лет, дали обширные сведения о радиальном строении Земли: было установлено существование коры, верхней и нижней мантии, внешнего и внутреннего ядра. Томография добавляет к этой модели новые важные подробности.
Определяя изменения основных свойств вещества, таких, как температура и плотность, по широте и долготе, а также с глубиной, томография впервые рисует трехмерный образ мантии. Чтобы понять, как работает сейсмическая томография, надо сначала усвоить некоторые сведения о сейсмических волнах и их поведении.
Земля передает сейсмическое возмущение, поскольку состоит из упругого вещества.
Это значит, что, если какой-либо объем испытывает напряжение, т.е. находится под воздействием сжатия или усилия сдвига, внутренние силы стремятся вернуть этот объем в его первоначальное состояние. Сейсмическая волна — это просто перемещающаяся деформация, вызванная сбросом напряжения в очаге землетрясения.
Каждое землетрясение излучает;
- во-первых, волны, которые пронизывают объем Земли;
- во-вторых, волны, бегущие по ее поверхности. Объемные волны делятся на два типа — продольные и поперечные.
Продольная волна похожа на звуковую тем, что представляется чередующимися сжатиями и разрежениями вещества в направлении своего распространения. Поскольку землетрясения создаются проскальзываниями, или сдвигами, вдоль разломов.
Они порождают также поперечные волны, которые похожи на электромагнитные тем, что колебания в них происходят в поперечном направлении — перпендикулярно направлению их распространения.
Подобно электромагнитным волнам, поперечные волны могут быть поляризованы, это означает, что колебания происходят в одном-единственном поперечном направлении.
Поверхностные волны также разделяются на два основных типа. Волны первого типа, или волны Рэлея, связаны как с продольными, так и с поперечными колебаниями; они заставляют частицы среды двигаться по эллиптическим траекториям в вертикальной плоскости, проходящей через очаг землетрясения и точку регистрации.
В отличие от них волны второго типа, или волны Лява, представляют собой поляризованные поперечные волны, в которых частицы колеблются в горизонтальной плоскости, параллельно земной поверхности.
Хотя волны Рэлея и волны Лява распространяются вдоль поверхности Земли по дугам большого круга, они захватывают глубины мантии и поэтому несут информацию о ее строении. Скорость поперечных волн зависит от жесткости среды, которая определяет сопротивление сдвиговым напряжениям.
Жидкость, к примеру, относится к не жестким средам и потому не передает поперечные волны; именно так было установлено, что земное ядро жидкое.
У объемной продольной волны и у продольной компоненты в волне Рэлея скорость зависит как от жесткости, так и от другой характеристики упругости среды — сжимаемости.
