Новый метод анализа сейсмических волн в их совокупности позволяет картировать мантию Земли в трех измерениях. Такие карты проливают свет на структуру конвективных потоков, приводящих в движение плиты земной коры.
Вступление
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.
Сейсмические волны и их поведение
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. Чем сильнее сопротивление процессу деформации в некоторой области Земли, тем выше скорость сейсмических волн, идущих через эту область.
Каждое землетрясение излучает:
- Волны, которые пронизывают объем Земли;
- Волны, бегущие по ее поверхности.
Объемные волны делятся на два типа:
- Продольные;
- Поперечные.
Продольная волна похожа на звуковую тем, что представляется чередующимися сжатием и разрежением 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. (Подобным образом звук, т.е. возмущение сжатия, быстрее распространяется в воде, чем в воздухе, который имеет большую сжимаемость, и еще быстрее во льду, который представляет собой мало сжимаемую среду.)
Анализ объемных волн
Данные о временах пробега объемных волн, хранящиеся в МСЦ, и данные регистрации поверхностных волн длиннопериодными сейсмографами — это два взаимно дополняющих источника информации о мантии.
Анализ объемных волн — единственный прямой способ изучения нижней мантии, располагающейся в интервале глубин от 670 км (граница между верхней и нижней мантией) до 2900 км (граница ядра).
Объемные волны, «ныряющие» в глубь Земли в очаге землетрясения и «выныривающие» в местах, где расположены сейсмические станции, пробегают через верхнюю мантию по относительно коротким крутым путям.
Существующее размещение сейсмических станций не позволяет построить достаточно густую сетку трасс объемных волн, для того чтобы получить изображение верхней мантии. В то же время поверхность Земли достаточно хорошо перекрывается волнами Рэлея и Лява, которые глубоко «просматривают» верхнюю мантию.
Длиннопериодные (или низкочастотные) поверхностные волны проникают в мантию на большую глубину, чем короткопериодные (подобно этому длинные волны в океане захватывают большую толщу воды, чем мелкая рябь). Новые цифровые длиннопериодные сейсмографы регистрируют такие длинные поверхностные волны, на скорость которых влияют особенности строения мантии до глубины 700 км; это несколько глубже границы между верхней и нижней мантией.