Ирландский инженер Роберт Мале, долгие годы изучавший землетрясение, которое произошло в итальянской провинции Калабрии в 1857 году, заинтересовался скоростью распространения волн в Земле. Исследования, проведенные им, положили начало инструментальной сейсмологии. Пытаясь вызвать искусственные волны в почве, Мале взрывал пороховые заряды и фиксировал время пробега волн по ряби в сосудах с ртутью. Впоследствии ученые получили много новых данных о скорости распространения волн в земной коре. Установлено, что скорость эта меняется в различных участках Земли, но в целом ее величина достаточно хорошо известна.
В отличие от вибраций гитарной струны или колокола сотрясения земли вызывают появление серий очень сложных волн. Некоторые из них имеют небольшую длину и столь высокую частоту, что люди обычно их не ощущают. Иногда эти волны, появляясь раньше интенсивных колебаний, вызывают тревогу среди животных в зоопарках, в то время как люди ничего не чувствуют. Это объясняется тем, что некоторые животные и рыбы обладают повышенным осязанием и слухом. Японцам, например, известно, что морская рыба, внешне очень напоминающая кота, становится беспокойной уже за несколько часов до землетрясения. Вероятно, это вызывается очень слабыми предварительными ударами — форшоками.
Вполне возможно, что некоторые высокочастотные колебания имеют .как раз ту частоту, при которой породы на глубине начинают издавать звуки, иногда слышимые во время землетрясений. Но эти звуки могут иметь и другое происхождение: они могут быть вызваны трением или сдавливанием горных пород при прохождении волн. Иногда они бывают настолько сильными, что напоминают выстрелы или отдаленные раскаты. Многим очевидцам они кажутся похожими на грохотание повозки по булыжной мостовой. Во время землетрясения 1899 года в Ассаме раскаты из глубин земли раздались за две секунды до толчков.
Известны также волны большей длины и низкой частоты — это самые страшные волны. Они-то и разрушают сооружения и меняют облик местности. Их сила настолько велика, что вызывает оползание грунта и извержение вулканов.
По распространению волн в земной коре ученые определяют, что где-то произошло землетрясение. Не удивительно, что изучение их составляет основное занятие сейсмологов. Современная наука располагает обширными сведениями о волнах и их сложной природе. И хотя в задачу нашей книги не входит изложение всех известных нам сведений, о наиболее важных из них мы попытаемся рассказать.
Самые быстрые волны, первыми прибывающие в любой район земного шара, представляют собой серию продольных волн сжатия — разрежения; эти колебания подобны звуковым, но имеют больший период. Сейсмологи называют их Р-волнами. При прохождении первичных волн мимо наблюдателя сжатие и разрежение пород происходит с периодичностью в 1—2 секунды. При этом отмечается колебательное перемещение частиц пород вдоль линии, направленной к эпицентру землетрясения. Фронт распространения волн этого типа, вероятно, представляет собой сферу, расширяющуюся в глубинах земли во все стороны от очага землетрясения со средней скоростью примерно 8 километров в секунду.
Р-волны проникают сквозь любую среду, в том числе сквозь лед, воду и даже воздух. Они распространяются по всей Земле, затухая лишь тогда, когда исчерпывается их энергия. При встрече со слоями пород различной упругости они могут отражаться, подобно свету от зеркала, или же преломляться, подобно лучам света в линзе. Изучение распространения этих волн позволило ученым понять внутреннее строение Земли. Только благодаря отражению волн удалось обнаружить корни гор, о которых мы упоминали выше. Отражаясь от них, волны образуют «мертвое пространство», или «волновые тени».
Один из слоев Земли, который отражает волны обратно к поверхности,— это уже известная нам граница Мохоровичича, или «Мохо». Другая граница находится между мантией Земли и ее ядром где-то на полпути к центру. Величайшее открытие датчанки Инге Ле-ман — обнаружение границы между центральной и внешней оболочками ядра — позволило не только заметить слабые отражения от этой неясной границы, но и понять ее природу.
После Р-волн поступают вторичные волны, распространяющиеся с меньшей скоростью, примерно 5 километров в секунду. Это поперечные, или сдвиговые, волны, называемые S-волнами. При движении этих волн частицы пород перемещаются перпендикулярно линии распространения подобно волнам, возникающим при колебании туго натянутой веревки. Обычно 5-волны приходят после Р-волн с опозданием на несколько секунд, так как их скорость меньше. Они могут следовать путем Р-волн и также отражаться от слоев с различной упругостью; единственное их отличие состоит в том, что они не проходят через жидкость. Это объясняется тем, что распространение S-волн сопровождается изменением формы среды, через которую они проходят, а такое изменение возможно лишь в твердых средах. Жидкость же не сопротивляется изменению формы, так как не обладает твердостью.
S-волны не проходят через ядро Земли, поэтому полагают, что ядро жидкое. Во всяком случае, вещество ядра ведет себя как жидкость. Правда, мы не можем с уверенностью утверждать, что там находится жидкость; нам трудно даже представить, в каком состоянии должны находиться породы в этой зоне высоких температур и колоссальных давлений.
Существуют и другие виды волн. Так называемые L-волны намного длиннее Р- и S-волн. В течение одной минуты они совершают от силы три-четыре колебания. L-волны состоят из волн двух типов, названных по имени их первооткрывателей. Волны Лява перемещают частицы пород в поперечном направлении, подобно S-волнам. Волны Релея — наиболее сложные из всех; частицы пород, имеющие, помимо вертикальных колебаний, еще и горизонтальную компоненту, описывают почти замкнутую кривую.
Очень важно помнить, что L-волны распространяются только вдоль поверхности Земли и с гораздо меньшей скоростью, чем все остальные. Они вызывают самые сильные колебания почвы и дают наибольшие пики на сейсмограммах. Иногда L-волны служат причиной наиболее сильных разрушений. В ряде случаев они распространяются по всей Земле и их можно зафиксировать на сейсмограммах даже через несколько дней после землетрясения.
Поскольку все эти различные волны расходятся от исходной точки по определенному пути и с определенной скоростью, можно попытаться выяснить причину их появления. Они пересекают внешние оболочки Земли и дают нам сведения о землетрясении. Что же можно извлечь из посланий, которые попадают к нам из глубин, недоступных для непосредственных исследований?