7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Просперо. …Я глубже, чем измерить можно лотом, Магическую книгу утоплю.

У. Шекспир. Буря.

О первооткрывателе электрона сэре Дж. Дж. Томсоне рассказывают историю, достойную внимания. Когда его, как и многих ученых, спрашивали, какую пользу можно извлечь из его открытий, он отвечал: «Предположим, что во времена франко-прусской войны людей встревожило увеличение числа таких ранений, когда в теле человека оставались осколки снарядов, которые нельзя было обнаружить, и что после подписания мира государства договорились о выплате крупной премии тому, кто сможет изобрести наиболее эффективный метод обнаружения этих чужеродных тел. Что бы из этого получилось? Механическое прощупывание превратилось бы в искусство, а человеческое тело — в подушку для иголок, но рентгеновские лучи не были бы открыты».

В истории науки есть множество примеров открытий, нашедших важные применения в весьма отдаленных областях; многие проблемы были решены учеными, искавшими совсем другое. Если бы первые сейсмологи работали в тех странах, где землетрясения представляют собой серьезную социальную проблему, и зависели бы в финансовом отношении от «политиков-практиков», то усилия, затраченные на изучение строения земного шара, вполне могли бы быть переправлены в русло поисков скороспелых методов предсказания землетрясений или конструирования деталей сейсмически устойчивых зданий, которые быстро устарели бы с развитием архитектурной моды и строительной техники. Если бы это произошло, мы до сих пор не располагали бы наиболее эффективным методом из числа разработанных сейсмологами — методом сейсмической раз­ведки. Но не будем забегать вперед.

В 1910 г. вышло в свет исследование землетрясения, произошедшего в октябре предыдущего года в долине Кулпа в Хорватии. Его автор, геолог А. Мохоровичич, заметил, что на близких к эпицентру станциях кроме Р- и 5-волн, получены записи вторичных колебаний, следующих за каждой из этих волн. Возможное объяснение этому явлению, по его мнению, можно найти, если допустить, что наиболее удаленная от центра часть земного шара представляет собой кору толщиной примерно 60 км, лежащую на мантии. Как мы увидим далее, это положение стало предметом жарких споров, и сейсмологи до сих пор дискутируют о строении внешней части земного шара; Мохоровичич, однако, указал на метод ее изучения с использованием местных землетрясений.

Допустим, что мы расположили ряд сейсмографов вдоль прямой, выходящей из очага землетрясения, находящегося у поверхности земли (рис. 35), и что Земля обладает корой толщиной приблизительно 30 км (для большей части материковой территории эта оценка лучше, чем 60 км Мохоровичича). Предположим далее, что Р-волна в пределах коры распространяется со скоростью 6 км/с, а в находящейся непосредственно под ней мантии — 8 км/с. На станцию, расположенную в пределах примерно 100 км от эпицентра, первой придет медленная волна, распространяющаяся вдоль прямой от очага до станции. Простой арифметический расчет показывает, что если станция удалена на 50 км, то пробег волны займет чуть более 8 с; на 100 км понадобится 16—17 с, а на 300 км — 50 с. Эту волну мы обозначаем Pg; на графике (рис. 36) это просто прямая.

Происхождение волн в земной коре

Происхождение волн в земной коре

График пробега волн в земной коре

График пробега волн в земной коре

Кроме Pg, будет записана и вторая волна. Она распространяется менее прямым путем — сперва вниз до основания коры со скоростью 6 км/с, а затем в мантии с большей скоростью (8 км/с). Чтобы достичь регистратора, она должна вернуться к поверхности земли снова с меньшей скоростью. Эта волна обозначается Рп; в действительности эта та самая Р-волна, которую мы упоминали, говоря об удаленных землетрясениях.

Время пробега Рп-волны определяется несколько сложнее, поскольку ее путь непрямой. Она спускается до основания коры по наклонной траектории под углом, зависящим от отношения ее скоростей выше и ниже границы, и поднимается к регистратору под тем же самым углом. На станции, близкой к очагу, Рп-волна приходит позже Pg, так как ее путь длинней, но на больших расстояниях ее более высокая скорость в мантии позволяет ей прийти первой. На очень малых расстояниях, где у Рп-волны нет возможности спуститься и подняться под нужным углом, она вообще не записывается. Вместо нее записывается отражение от основания коры; /отраженная волна спускается и поднимается более круто, а в самом очаге она идет вертикально вниз и вверх, затрачивая на этот двойной путь 10 с.

Времена пробега волн Рп и Pg в нашей воображаемой коре можно свести в небольшую таблицу:

T_2

Эти цифры не совпадают в точности с полученными в действительности, но приблизительно верны и несколько упрощают нашу задачу. В рамках данной модели истинная Рп-волна не может записываться на расстояниях, намного меньших 70 км, и обгоняет Pg-волну на расстоянии 155—160 км.

А. Мохоровичич должен был подойти к этой проблеме с другой стороны, поскольку он не знал ни скоростей волн, ни толщины коры. Посмотрим на задачу с его точки зрения. Вначале он должен был определить место, где произошло землетрясение, и найти расстояния до различных регистрирующих станций. После этого он мог нанести моменты прихода волн на график типа, приведенного на рис. 36. Тогда по углам наклона двух прямых он мог найти скорости двух волн, а расстояние, на котором прямые пересекаются, позволяло ему определить толщину коры.

Основание коры сейчас называют границей Мохоровичича, а на менее гибких языках ее называют Мохо. Сейсмологи всего мира стремились измерить толщину коры как можно точнее, однако это оказалось неожиданно трудно. Не было достаточного числа регистрирующих станций, отсчет времени был недостаточно совершенным, а записи волн были недостаточно четкими, чтобы их можно было точно обработать. Возникла и другая сложность. В большинстве районов земного шара регистрировалось более двух волн, что заставляет предположить существование более чем двух слоев (рис. 37). Мало того, судя по разбросу полученных оценок скоростей волн, не все сейсмологи измеряли одно и то же. Несмотря на это, большинство из них стремились придать своим результатам всемирную значимость. В течение недолгого времени увлечения этой проблемой число слоев земной коры росло со скоростью примерно один слой в месяц.

Волны в земной коре, регистрируемые при близких землетрясениях

Волны в земной коре, регистрируемые при близких землетрясениях

Очевидный путь решения этой проблемы заключался в использовании искусственных взрывов вместо землетрясений. Можно было с высокой точностью определять их место и время и получать записи на специальной сети станций, размещенных заранее в самых удобных местах. На это практики стали обращать особое внимание. В результате поисков с использованием сейсмических волн могли обнаруживаться новые слои, скрытые под поверхностью земли. Крупные нефтяные компании были особенно заинтересованы в методе, с помощью которого можно было проверить догадки геологов о поведении закартированных на поверхности земли слоев на больших глубинах, не прибегая к дорогостоящему и трудоемкому бурению на сотни метров, и увидеть, не является ли какая-либо из складок ловушкой нефти. Теперь ответ на этот вопрос можно было получить с помощью небольшого заряда и пары десятков переносных сейсмографов. Вскоре крупные нефтяные компании стали финансировать геофизические исследования и разработку более удобных приборов.

Сейсмометры, используемые современными разведчиками нефти, называются геофонами. Они меньше и прочнее тех, что используются на сейсмостанциях, по двум причинам: во-первых у них могут быть короткие периоды, поскольку они предназначены для использования вблизи источника колебаний; во-вторых, им достаточно иметь несильный выходной сигнал, так как они почти всегда используются с электронными усилителями,

Сейсмическую разведку часто приходится проводить на неосвоенных территориях; условия разведки меняются от тропических пустынь или джунглей до Арктики, поэтому оборудование должно быть прочным и автономным. Обычно его монтируют на колонне грузовых машин, в которую могут входить также передвижные мастерские и жилые помещения для обслуживающего персонала.

В обычных условиях взрыв производится небольшим зарядом гелигнита, который закладывается в скважину глубиной приблизительно 10 м (рис. 38). Скважина должна пройти почвенный слой и выветрелые породы вблизи поверхности, чтобы сила взрыва воздействовала на породу с максимальной эффективностью. Таким образом, в колонну входят буровые станки и цистерны с водой, обеспечивающей «смазку» при бурении (рис. 39). Если невозможно пробурить нужную скважину, то вместо одного заряда можно взрывать маленькие заряды, расположенные замысловатым узором (см. рис. 38, б). В других крайних ситуациях достаточное сотрясение можно получить от падения тяжелого груза (см. рис. 38, в) или даже от удара по земле молотом.

Искусственные землетрясения

Искусственные землетрясения

Буровое снаряжение

Буровое снаряжение

Оборудование обычного грузовика-регистратора, который до настоящего времени широко используется в научных целях, позволяет записывать сигналы с 24 геофонов, которые могут подсоединяться к кабелю, отходящему от барабана, с интервалом 30 м. С помощью усилителей и фильтров можно настроить каждый геофон практически на любую полезную характеристику; 24 световых луча от 24 гальванометров ведут параллельную запись на полосе фотографической бумаги шириной ~10 см. На грузовике имеется устройство для проявления записей. Радиоаппаратура позволяет оператору держать связь с взрывником, а также автоматически регистрировать момент взрыва на фотобумаге рядом с показаниями гальванометров. Вмонтированные электронные часы наносят на бумагу отметки точного времени с интервалом 0,01 с.

Самые современные машины стали оснащаться весьма сложным оборудованием (рис. 40 и 41). В крупных колоннах радиоаппаратура и фотографическое оборудование занимают отдельные машины. Записи теперь часто делаются на магнитной ленте или в более сложной форме на полосе бумаги. Часто используются компьютер и связанная с ним катодно-лучевая трубка — дисплеи. Запись на магнитной ленте может пропускаться через ряд различных фильтров, поэтому есть возможность выбрать лучшую комбинацию этих фильтров, так что волны являющиеся предметом поиска, не теряются в путанице фоновых колебаний.

Современная сейсмическая станция, смонтированная на грузовой машине

Современная сейсмическая станция, смонтированная на грузовой машине

Внутренний вид кабины регистрации

Внутренний вид кабины регистрации

Хотя большая часть расходов, необходимых для разработки современного разведочного оборудования, оплачивается нефтяными компаниями, оно может использоваться и для многих других целей. В Новой Зеландии сейсмическая разведка применяется при изучении площадок для строительства плотин гидроэлектростанций, в связи с поисками источников геотермальной энергии в районе Уайракей, а также при разведке угля и других минеральных ресурсов. Таким образом, сейсмология дает ответы на многие вопросы, которые вряд ли могли прийти в голову пионерам изучения землетрясений.

Описанная мною методика известна в разведке под названием метода преломленных волн. В последние годы она в значительной мере вытеснена методом отраженных волн, который во многих аспектах является более прямым, поскольку использует непосредственные записи эха от границ между слоями пород под поверхностью земли. Геофоны, используемые для записи отраженных волн, могут располагаться ближе к точке взрыва, чем при записи преломленных волн, что приводит к большой экономии времени, уходящего на прокладку кабелей. Первые сейсморазведчики были вынуждены пользоваться методом преломленных волн, потому что их геофоны и усилители могли сколько-нибудь четко регистрировать лишь момент прихода первого импульса. С использованием современных геофонов в сочетании с усилителями и фильтрами с известными частотными характеристиками, а также с автоматическим контролем амплитуды сигнала, ограничивающим эффект первого колебания, стало возможным четко распознавать на записи моменты вступления последовательных отраженных волн.

На рис. 42 показана часть записи, полученной на косе Фа-руэлл сейсмологической партией отделения геофизики Управления научных и промышленных исследований Новой Зеландии. Заряд был взорван в центре площадки, на которой расположены 24 геофона. В течение некоторого времени после прихода прямой волны (левая часть рисунка) трассы путаются, но к моменту прихода волны, отразившейся от твердых коренных пород, залегающих под более рыхлыми отложениями, устанавливается относительный покой. Момент взрыва отмечен отклонениями на третьей и четвертой трассах сверху; вертикальные метки времени проведены через 1/10 с. Воспроизведенная часть записи занимает менее 1 с.

Разведка методом отражения волн

Разведка методом отражения волн

Геофизические методы разведки на нефть, возможно, оказались чересчур успешными: это приводит к преждевременному истощению ее ограниченных запасов. В 50-е годы, когда впервые выяснилась угроза нехватки нефти, начали разрабатываться методы проведения сейсмических исследований на море (рис. 43 и 44). Это привело к разработке большого числа ранее неизвестных подводных залежей нефти и газа, вначале в неглубоких водах Мексиканского залива, затем в Северном море, у берегов Северной Африки и Новой Зеландии и во многих других районах земного шара.

Научное судно "Эксплора"

Научное судно “Эксплора”

Плавучий аналог автомашины, предназначеный для работы вблизи берега

Плавучий аналог автомашины, предназначеный для работы вблизи берега

В завершение главы отойдем от проблем большого бизнеса. Сейсмические методы используются гидрографами для получения необходимой информации об отложениях на морском дне, а геологи используют их для разнообразных целей, имеющих мало общего с промышленной разработкой минеральных ресурсов. Более неожиданной оказалась польза, которую они приносят археологам.

Грунт, перекопанный в прошлом, пропускает сейсмические волны не так хорошо, как нетронутый грунт, а захороненная кирпичная кладка отличима от окружающих ее пород. Мы можем успокоить читателей, у которых возникнет опасение, что сейсмологи устроят еще один пороховой погреб в Парфеноне. Для работ такого малого масштаба взрывчатка не требуется. Необходимое сотрясение вызывается сбрасыванием груза. С использованием комплекса геофизических методов сейчас с достаточной достоверностью установлено, что внутри Великих пирамид не осталось нераскрытых камер. Но самое замечательное событие в археологии, в котором участвовала сейсмическая разведка, произошло в 1951 г., когда сейсмолог-иезуит Даниэль Линеган расположил геофоны вокруг собора св. Петра в Риме. Он сумел указать археологам путь к древней могиле, в которой предположительно находились кости самого св. Петра, что позволило обойтись без значительной части бесполезных и небезопасных для здания раскопок.