Наиболее прямой способ узнать строение земной коры и ее историю состоит в непосредственном изучении горных пород, в наблюдении над их составом и над тем, как они лежат в земной коре. Горные породы имеют разное происхождение. О том, как они образовались, часто могут нам рассказать сами породы, если их надлежащим образом сравнить с теми породами, которые образуются сейчас, на наших глазах и происхождение которых поэтому ясно.
Например, среди горных пород, залегающих в земной коре, можно обнаружить пласты конгломерата. Это — плотно слежавшееся в виде пласта или слоя скопление галек. Гальки встречаются разного размера — от совсем мелких до огромных валунов — в несколько метров диаметром. Они имеют обычно яйцевидную форму, и поверхность их сглажена.
Если мы будет искать, где такие гальки образуются и накапливаются сейчас, то поиски приведут нас к берегу моря, на пляж. Морские волны отрывают от прибрежных скал глыбы и, перебрасывая их туда и сюда, постепенно оглаживают и окатывают. Сходство этих двух пород — древней и современной — так велико, что едва ли можно сомневаться в том, что и древний галечник образовался на берегу древнего моря, под ударами его волн.
Среди древних осадочных пород, слагающих земную кору, широко распространены известняки, а среди них есть такие, которые состоят из обломков кораллов. Древние кораллы, хотя и отличаются некоторыми своими особенностями от современных, но в общем устроены так же. Поэтому можно думать, что и они в прежние геологические эпохи жили в условиях, сходных с условиями жизни современных кораллов, т. е. на небольшой глубине (до 30 м) в очень теплой и чистой морской воде с нормальным содержанием солей. Таким образом, в эпоху образования древних коралловых известняков там, где мы их сейчас находим, существовало открытое, но мелкое тропическое море.
Аналогичные сравнения поведут нас от пласта угля, залегающего в земной коре, к современному болоту, на дне которого накапливается торф, постепенно превращающийся в уголь. А болота образуются во влажном климате; следовательно, мы сумеем сделать некоторые выводы о тех климатических условиях, в которых образовался и древний уголь.
Такое объяснение древних осадочных горных пород с помощью сравнения их с породами, образующимися сейчас, называется методом актуализма, т. е. методом действительности, поскольку современная действительность используется для понимания древних геологических эпох. Этот метод был введен в науку в середине прошлого столетия знаменитым английским геологом Чарльзом Ляйелем. Новое учение пришло на смену старым идеям катастрофизма, утверждавшим, что древние эпохи отделены от современности рядом катастроф, уничтоживших всякое сходство между прежней поверхностью Земли и настоящей.
Метод (или принцип) актуализма нередко подвергался критике, но до сих пор остается наиболее могучим средством для установления тех географических условий, которые существовали на поверхности Земли в былые времена. Наука о древней географии называется палеогеографией, и принцип актуализма является основным методом этой науки. Из предыдущих примеров видно, что для палеогеографических заключений большой интерес представляют ископаемые организмы, сохраняющиеся в виде окаменелостей в горных породах.
Действительно, если в породе мы находим кораллы или раковины, сходные с теми, которые сейчас живут в море, мы делаем вывод, что порода образовалась на дне древнего моря. Если же на слоях глин или песчаников отпечатались листья и стволы растений, следует заключить, что эти породы накопились где-то на суше, может быть на дне озера, в которое с берега попадали растения. По окаменелостям можно судить и о глубине древнего моря. Например, кораллы, как указывалось, живут на малой глубине — не глубже 30 м. Поэтому коралловые известняки свидетельствуют о мелком море. О том же говорят окаменелые водоросли. А пласты угля среди морских слоев указывают на полное обмеление моря, на превращение части его в болотистую лагуну, едва заполненную водой.
Некоторые особенности минералогического состава осадочных пород также указывают на глубину моря или на древний климат. Так, широко распространенный в некоторых песчаниках минерал глауконит образуется, судя по наблюдениям над современными морскими осадками, на глубине около 100 м. Пласты соли или гипса свидетельствуют о жарком сухом климате, так как они образуются при выпаривании озер или морских лагун под действием солнечных лучей. В современных условиях такое выпаривание происходит, например, в озерах Южного Заволжья или в Кара-Богаз-Голе — заливе Каспийского моря.
Уже отмечалось, что, изучая расположение в земной коре тех или иных пород определенного геологического возраста, можно восстановить, каковы были географические условия там или здесь в минувшее время, где была суша, а где — море, где были жаркие, и сухие страны, а где климат был умеренным и влажным. В результате можно составить карты древних морей и материков — так называемые палеогеографические карты. Мы уже знаем, что, сопоставляя такие карты одной и той же территории для разных геологических эпох, можно восстановить историю колебаний земной поверхности, ее медленных поднятий и опусканий в былые времена.
Поскольку в непосредственной близости от суши, поверхность которой размывается, отлагаются более грубозернистые осадки — галечники, грубые пески, а с удалением от суши пески становятся тоньше, сменяются глинами и дальше — известняками, можно использовать изменение характера осадочных пород определенного возраста от места к месту на некоторой территории, чтобы уточнить положение древнего берега. Особенности состава и строения осадочных горных пород, указывающие на условия, в которых они образовались (например, на глубину морского бассейна, где они отложились, или на дальность их образования от берега), называются «фацией» данной осадочной породы (по-латыни фациес — лицо).
Для восстановления истории медленных колебаний земной коры важны также измерения толщины или, как говорят геологи, мощности осадочных пород определенного возраста. В земной коре нередко наблюдаются осадочные породы, которые хотя и образовались на заведомо очень малой глубине, но имеют очень большую толщину. Например, в течение каменноугольного периода в Донецком бассейне накопились глины, песчаники и известняки с прослоями угля. Все вместе они образуют так называемую угленосную свиту. Нет сомнений, что все породы, входящие в эту свиту, образовались на весьма малой глубине от уровня моря. Даже самая глубоководная среди них порода — известняк — содержит много окаменелых водорослей. Водоросли же не могут жить без солнечного света и притока кислорода. Они не могли существовать глубже 30 м под поверхностью воды. А угли накапливались, первоначально в виде торфа, уже близ самой поверхности моря. Между тем толщина всей угленосной свиты измеряется несколькими километрами. Как же такая огромная толща пород могла накопиться в мелком море? Как будто в нем не должно было быть места для столь «мощного» накопления осадков.
Действительно, такого места не было бы, если бы земная кора оставалась в покое. В этом случае море заполнилось бы осадками в несколько десятков метров толщиной и после этого накопление прекратилось бы. Но в действительности, пока накапливались первые метры осадков, земная кора под морским бассейном медленно прогибалась, и поэтому, несмотря на отложение пород, глубина моря сохранялась приблизительно прежней. И так продолжалось все время, пока образовывалась угленосная свита. При этом было такое соответствие между скоростью прогибания земной коры и скоростью накопления осадков, что в течение всего этого времени глубина моря оставалась приблизительно одной и той же. Таким образом, измеряя толщину осадочных свит одного и того же геологического возраста в разных местах, мы может установить, где земная кора в то время прогибалась больше, где меньше.
Некоторые магматические породы тоже могут быть сопоставлены с современными, например вулканические лавы. Древние лавы, застывшие десятки и сотни миллионов лет назад, немногим отличаются от тех лав, которые извергаются вулканами сейчас. Поэтому, наблюдая в земной коре слои древних лав, мы можем узнать, где, когда и как в геологическом прошлом извергались вулканы.
Труднее обстоит дело с теми магматическими породами, которые застыли на глубине и стали видимыми на поверхности только благодаря тому, что вышележащие породы были омыты. В некоторой мере здесь приходят на помощь наблюдения над искусственными расплавами. Если приготовить силикатный расплав, близкий по составу к магматической горной породе, и наблюдать его медленное охлаждение, то можно увидать, как при застывании расплав кристаллизуется. Сходным образом при медленном застывании магматического расплава под землей в нем образуются кристаллы, столь типичные для интрузивной магматической горной породы. Вообще для изучения условий образования магматических горных пород, представляющих собой результат кристаллизации глубинных расплавов, лабораторные исследования играют большую роль, хотя при них природные условия, конечно, полностью не воспроизводятся.
Ранее говорилось, что слои горных пород во многих местах оказываются смятыми в складки. На первый взгляд непонятно, каким образом могли изогнуться столь твердые горные породы, как плотные песчаники или известняки. И в этом случае на помощь приходят опыты в лаборатории: они показывают, что даже самый твердый камень может быть деформирован и согнут, если давление к нему будет прикладываться в течение долгого времени. Это то свойство тел, которое называется ползучестью. Если по куску смолы ударить, то кусок расколется. Но если положить на поверхность смолы небольшой груз и оставить его лежать на много часов, то кусок смолы будет деформироваться, сминаться, но не расколется. Силы, которые сминают слои горных пород, действуют медленно, исподволь, в течение длительного геологического времени, и постепенно изгибают слои в складки. Когда же они действуют резко, быстро, толчками, они вызывают раскалывание горных пород, образование в них трещин.
Для того чтобы расшифровать историю развития Земли, мало знать только ее современное строение. Надо знать также, какие события совершались на поверхности земной коры и в ее недрах в былые геологические времена, какова была их последовательность и продолжительность. А для этого надо выяснить, когда образовались те или иные горные породы или минералы, каков их возраст, надо установить хронологию горных пород и минералов, являющихся свидетелями и указателями различных геологических событий.
Геологи различают относительную и абсолютную хронологию горных пород. Относительная хронология позволяет установить, какие породы образовались раньше, какие позже, а какие возникли в одно и то же время.
Наиболее простой способ выяснения относительного возраста пород — наблюдение над их взаимным расположением в земной коре. Осадочные горные породы накапливаются в виде слоев, лежащих друг на друге. Совершенно ясно, что до накопления верхнего слоя должен был уже существовать более нижний слой. Поэтому последовательность слоев снизу вверх является одновременно и хронологической последовательностью. Этот простой метод определения относительного возраста слоев горных пород, однако, весьма ограничен. В некоторых случаях благодаря последующим деформациям слои оказываются в перевернутом положении: более молодые слои лежат внизу, а более древние — вверху. Кроме того, этим способом можно установить относительную древность только тех слоев, которые залегают вместе в одном видимом «разрезе» земной коры. Если мы захотим сравнить возраст слоев, расположенных в разных, далеко отстоящих друг от друга районах, то наша попытка, очевидно, будет обречена на неудачу.
Основной метод относительной геологической хронологии — палеонтологический метод — основан на изучении содержащихся в осадочных горных породах окаменелых остатков или отпечатков древних организмов.
Трудами многих ученых уже давно установлено, что органический мир на Земле испытал длительную и сложную эволюцию раньше, чем он приблизился к современному облику. Было время, когда на Земле жизни вообще не было, а в первое время (в течение, вероятно, не менее миллиарда лет) после ее возникновения жизнь оставалась чрезвычайно примитивной. На Земле тогда жили лишь простейшие одноклеточные организмы. Остатков их почти нет, так как они не содержали твердых частей, которые могли бы сохраниться. Постепенно жизнь усложнялась. На смену простым организмам приходили более совершенные.
В течение долгого времени среди населения нашей планеты господствовали морские ракообразные, достигавшие огромных размеров. Затем появились первые рыбы. Первые крупные животные на суше принадлежали к земноводным, а к числу одних из первых растительных организмов на суше относились папоротники. Затем появились рептилии. Материки покрылись лесами из гигантских древовидных папоротников. Наступил исключительно интересный этап в развитии жизни на Земле, когда и в море и на суше господствовали огромные рептилии динозавры или «страшные ящеры». Некоторые из них были колоссальных размеров — до 35 м в длину и до 10 м в вышину. В то время существовали летающие рептилии с размахом крыльев до 7 м. Растительность также менялась: появились хвойные растения. Позже гигантские ящеры вымерли, их место постепенно заняли млекопитающие и птицы. Однако первые млекопитающие сильно отличались от современных. Например, первобытные лошади были очень маленького размера (встречались «лошади» размером с кошку) и имели по пяти пальцев на каждой ноге. Последним в цепи эволюции млекопитающих появился человек; он — еще совсем молодой обитатель нашей планеты.
Таким образом, каждой эпохе в истории Земли соответствуют определенные виды организмов. Благодаря этому по окаменелостям, находимым в породах, можно определить в какую эпоху эта порода образовалась.
По характеру живших на Земле организмов геологи разделили историю Земли на ряд эр: археозойскую, или эру древнейшей жизни; протерозойскую, или эру первобытной жизни; палеозойскую, или эру древней жизни; мезозойскую, или среднюю эру; кайнозойскую, или эру новой жизни. Недавно советский академик Н. С. Шатский выделил вторую половину протерозойской эры в качестве самостоятельной рифейской эры. Каждая эра разделена на периоды. В палеозойской эре выделяют периоды кембрийский, ордовикский, силурийский, девонский, каменноугольный и пермский; в мезозойской эре — периоды триасовый, юрский и меловой; в кайнозойской — палеогеновый, неогеновый и четвертичный (или антропогеновый, т. е. человеческий). Мы живем в четвертичном периоде. Каждый период делится на еще более дробные подразделения времени.
Не каждый вид ископаемых организмов годится для определения относительного возраста пород. Некоторые виды сохранялись почти без изменений в течение нескольких геологических периодов. Ясно, что они не подходят для точного определения возраста пород. Зато другие виды изменялись очень быстро и сохраняли свой облик неизменным в течение лишь короткого отрезка геологического времени. Такие организмы наиболее подходят для целей относительной «геохронологии»; они называются «руководящими ископаемыми». К их числу, например, относится группа головоногих моллюсков, известных под общим названием аммониты. Это — прекрасные руководящие ископаемые для конца палеозойской и всей мезозойской эры. Они изменялись в течение времени настолько быстро и радикально, что но ним можно очень точно датировать возраст горных пород.
С помощью окаменелостей можно установить относительный возраст осадочных пород не только в соседних районах, но и в районах, расположенных на очень большом расстоянии друг от друга. Например, по одинаковым окаменелостям можно найти породы, образовавшиеся одновременно в Европе, Северной Америке, Австралии.
Геолог изучает распределение горных пород разного состава и разного возраста в процессе геологической съемки, когда он составляет геологическую карту. На последней как раз и изображается расположение на поверхности Земли горных пород разного возраста. Но по такой карте можно судить о расположении горных пород и на некоторой глубине под поверхностью. Из подробных карт крупного масштаба для отдельных районов составляются обзорные геологические карты мелкого масштаба для обширных территорий. Примером прекрасных обзорных геологических карт являются геологические карты Советского Союза в масштабах 1 : 2 500 000 и 1 : 5 000 000, составленные под редакцией академика Д. В. Наливкина. Эти карты неоднократно демонстрировались на Международных геологических конгрессах и заслужили очень высокую оценку. Еще в конце прошлого столетия на одном из первых геологических конгрессов для составления международных геологических карт были приняты условные обозначения, разработанные в нашей стране академиком А. П. Карпинским. В настоящее время составлением геологических карт в СССР руководит Государственный Геологический комитет. Геологические карты — основные документы, по которым определяются места поисков различных полезных ископаемых.
Палеонтологический метод имеет, однако, и существенные недостатки. Они проявляются там, где в породах мало ископаемых органических остатков или где последние не имеют «руководящего» характера. Например, в осадках, образовавшихся на суше (в долинах рек, в озерах), руководящих ископаемых значительно меньше, чем в морских породах; поэтому возраст континентальных отложений определяется обычно значительно труднее и менее точно, чем морских.
Главная ограниченность палеонтологического метода состоит в том, что с его помощью можно разделить историю Земли на эры и периоды, выяснить последовательность различных геологических процессов, но невозможно установить, какова продолжительность (в годах) отдельных периодов или отдельных геологических событий. Другими словами, по окаменелостям невозможно определить «абсолютный возраст» горных пород.
В течение долгого времени геологи вообще не имели метода абсолютной геохронологии. Такой метод появился только с открытием радиоактивности — на рубеже XIX и XX веков. Он основан на естественных превращениях радиоактивных элементов. Эти превращения происходят всегда с постоянной скоростью и поэтому могут быть использованы в качестве природных «песочных часов».
Самый старый, так называемый свинцовый метод определения абсолютного геологического возраста, основан на радиоактивном распаде урана. При этом уран с выделением альфа-частиц, т. е. гелия, превращается в свинец. Скорость этого превращения не зависит ни от каких существующих на Земле или в ее недрах условий, — она постоянна. Зная эту скорость распада и определив количество урана, содержащегося в каком-либо минерале, и получившегося из него свинца, можно высчитать, когда минерал образовался. Точно так же торий с постоянной скоростью превращается в свинец. Обычно в минералах содержатся и уран и торий, и задача состоит в определении отношения между ураном и торием, с одной стороны, и свинцом, с другой. Поскольку одновременно образуется гелий, можно использовать и его отношение к урану и торию. Однако гелий далеко не весь сохраняется внутри минералов: будучи газом, он частично улетучивается, и это искажает результат.
Хотя радиоактивные элементы содержатся буквально во всех минералах, свинцовый метод наиболее пригоден для минералов, отличающихся повышенным содержанием урана и тория.
Используется также аргоновый метод, основанный на том, что изотоп калия с атомным весом 40 в результате радиоактивного превращения с постоянной скоростью переходит в газ аргон с тем же атомным весом. Можно определить абсолютный возраст минерала и стронциевым методом, основанным на превращении рубидия в стронций.
Применение радиоактивных методов определения абсолютного возраста минералов привело к дальнейшему развитию наших представлений об истории Земли, хотя и эти методы имеют свои ограничения. Оки позволяют судить о возрасте отдельных минералов, химический состав которых благоприятен для соответствующих определений. Если минералы, составляющие ту или иную породу, образовались одновременно, то по их возрасту можно судить о возрасте всей породы.
Таково обычно положение с горными породами магматического происхождения: они образуются в результате почти одновременной кристаллизации всех составляющих их минералов.
Совершенно иное положение с осадочными породами: песок, например, состоит из обломков минералов, каждый из которых может иметь свой собственный возраст, отличный от возраста песка в целом. Действительно, песчаник образовался путем скопления частиц, оторванных размывом от разных других более древних пород различного возраста. Чтобы определить возраст песчаника как породы, надо найти такой минерал, который образовался во времени накопления песка. В некоторых случаях такие минералы находятся, в других их нет.
Таким образом, методы абсолютной геохронологии наиболее пригодны для определения возраста магматических пород, тогда как методы относительной геохронологии, напротив, наиболее пригодны для осадочных пород, поскольку остатки организмов встречаются только в них. Отсюда возникают трудности при сопоставлении величин абсолютного возраста со шкалой относительной геохронологии.
Эти трудности, однако, наука быстро преодолевает, и сейчас можно отметить большой прогресс в разработке шкалы геологического времени, в которой абсолютный возраст сопоставлен с геологическими эрами и периодами, выделенными палеонтологическими методами.
Самые древние известные породы найдены у нас в Карелии. Их возраст около 3,5 млрд. лет. Но ясно, что вся земная кора в целом и тем более весь земной шар значительно древнее. По-видимому, возраст всей Земли достигает, а может быть, и превышает, 4,5 млрд. лет. Жизнь зародилась на Земле несколько миллиардов лет назад. Только 400 млн. лет назад появились первые наземные организмы. «Страшные ящеры» жили на Земле 80—200 миллионов лет назад, а млекопитающие появились всего 70 миллионов лет назад. Человек — самый молодой обитатель нашей планеты. Его «возраст» не превышает одного миллиона лет. Если считать среднюю для всей истории продолжительность жизни одного человеческого поколения равной 30 годам, то общее число человеческих поколений окажется удивительно малым: около 30 тысяч.
Методы изучения земной коры, основанные на непосредственном наблюдении горных пород, называются геологическими. Ими пользуются все геологи. Для этого они наблюдают расположение горных пород на поверхности земли, во врезанных в эту поверхность оврагах, долинах и ущельях, собирают образцы горных пород и содержащиеся в них окаменелости и изучают их. Они пользуются также буровыми скважинами, чтобы узнать, какие породы находятся на глубине, недоступной для взгляда с поверхности, и как они там залегают.
Существуют и другие методы научного проникновения в тайны строения земной коры — геофизические. Это — методы косвенные: они позволяют узнать те или иные физические свойства горных пород, не доставая их с глубины. Но они не позволяют получить в руки образец изучаемой горной породы и выяснить ее химический состав. В этом, конечно, недостаток геофизических методов по сравнению с геологическими. Но, с другой стороны, огромным преимуществом геофизических методов является то, что они могут проникнуть туда, куда глаз геолога достать никак не может. Даже в тех поверхностных слоях земной коры, куда достигают скважины, геофизические методы помогают узнать, что делается между скважинами.
Представим себе, что пробурена буровая скважина глубиной в 2 км. На глубине 1500 м обнаружен пласт породы, которая по некоторым своим физическим свойствам более или менее резко отличается от других пород. Например, электропроводность этого слоя больше, чем слоев, лежащих ниже и выше. Это можно установить, используя так называемый каротаж скважины, т. е. физические изменения в скважине с помощью приборов, которые в нее опускаются. Геофизические методы позволят затем проследить тот же электропроводящий слой на широкой площади далеко от скважины и установить, где он поднимается ближе к поверхности, где опускается глубже. Так как мощная пачка слоев изгибается обычно одинаково, то вместе с тем мы устанавливаем картину «залегания» не только одного слоя, но целой мощной свиты их. Наш электропроводящий слой становится как бы маркирующим слоем. Своим поведением он. указывает на поведение многих других слоев, залегающих параллельно с ним.
Если геофизические методы очень полезны даже при исследовании в поверхностных слоях коры, то как только мы спускаемся глубже самых глубоких скважин, эти методы получают исключительное господство. Глубокие части земной коры, а также вся огромная внутренняя часть нашей планеты известны нам только по результатам применения геофизических методов. Самая глубокая скважина немногим превышает семь километров. Это всего-навсего одна девятисотая доля земного радиуса. Наши знания остановились бы на этой глубине, если бы не существовало геофизических методов проникновения на большие глубины.
Один из самых эффективных геофизических методов исследования земных недр — сейсмический метод. Он заключается в изучении путей распространения и скорости упругих колебаний, вызванных в Земле искусственными взрывами или естественными землетрясениями. Если на поверхности земли или, лучше, на некоторой глубине под поверхностью взорвать заряд взрывчатого вещества, то от места взрыва по окружающим горным породам во все стороны побегут упругие волны, подобные звуковым. Скорость их движения различна в разных породах и зависит от их упругости и плотности. Поэтому если место взрыва окружено разными горными породами, с разными упругостью и плотностью, то в различных направлениях волны будут двигаться с разной скоростью. Если вокруг места взрыва расположить приборы, которые отметят время, когда к ним подошла упругая волна, и знать точно время взрыва, то можно установить различие в скоростях распространения движения упругих волн в разных направлениях. А это в свою очередь позволит установить, что в разных направлениях от места взрыва в земной коре лежат породы, различные по своей упругости и плотности. Правда, какие это породы — песчаники, известняки или граниты, — сейсмический метод «не скажет», но, определив в лаборатории упругость и плотность различных горных пород, мы сможем выбрать из них такие, которые наилучшим образом будут подходить к полученным результатам.
Прибор, который отмечает приход упругих колебаний от взрыва, называется сейсмографом. Упругая волна вызывает дрожание корпуса этого прибора. В конструкции прибора имеется тяжелый груз, который в силу инерции не участвует в этом дрожании и остается почти неподвижным. Записывая колебания корпуса сейсмографа относительно почти неподвижного груза, можно изучить подходящие к прибору колебания почвы, а время их прихода отмечается с помощью присоединения к сейсмографу точных часов. Момент взрыва сообщается на пункты расположения сейсмографов по радио.
Важное значение в сейсмическом методе изучения строения земной коры имеет явление отражения и преломления упругих колебаний на границах между слоями различных пород. Если порода с одними механическими свойствами (упругостью и плотностью) подстилается породой с другими механическими свойствами и граница между ними достаточно резкая, то упругие колебания отразятся от этой границы совершенно так же, как световой луч отражается от гладкой поверхности зеркала. Отраженные упругие колебания могут быть зарегистрированы сейсмографами, и это позволит определить глубину отражающей поверхности.
Глубина, на которую можно проникнуть в недра Земли с помощью сейсмического метода, зависит от силы взрыва и чувствительности сейсмографов. Разработанный академиком Г. А. Гамбурцевым метод глубинного сейсмического зондирования позволяет, используя сравнительно небольшие взрывы (несколько десятков килограммов обычной взрывчатки) и высокочувствительные сейсмографы, получать сведения об упругих свойствах горных пород, находящихся на глубине до 100 км и даже несколько больше.
Однако используя землетрясения, энергия которых во много раз больше энергии искусственных взрывов, можно проследить прохождение упругих волн сквозь весь земной шар, сквозь самые глубокие его части. Этим методом мы и пользуемся, чтобы узнать то, что возможно, о глубинном строении земного шара в целом. Этот же метод продолжают широко использовать и для изучения строения земной коры, несмотря на наличие метода глубинного сейсмического зондирования, поскольку наблюдения за волнами, вызванными землетрясениями, гораздо дешевле и намного проще, чем искусственное сейсмическое зондирование.
Неудобство метода, основанного на изучении сотрясений, вызванных естественными землетрясениями, состоит в том, что землетрясения случаются не всюду и время их возникновения заранее неизвестно. Оно может быть определено, когда землетрясение уже случится. Несмотря на недостатки сейсмического метода, наши знания о строении глубоких частей земного шара до сих пор основываются главным образом на обработке тех сейсмограмм (записи упругих сотрясений), которые получаются на многих сотнях сейсмических станций, разбросанных по всему земному шару и наблюдающих за естественными землетрясениями. Так как для того, чтобы сделать правильные выводы, надо иметь записи одного и того же землетрясения, сделанные сейсмографами на многих станциях, то в соответствии с международным соглашением все сейсмические станции посылают свои «сейсмические бюллетени» в Международное сейсмологическое бюро в Страсбурге (Франция), которое публикует для всеобщего сведения сводные сейсмические бюллетени.
Другой важный геофизический метод изучения недр — гравиметрический — основан на изучении распределения силы тяжести на поверхности Земли. Известно, что период качания маятника зависит от его длины и от силы тяжести (g). Перенося один и тот же маятник по поверхности Земли с места на место, можно заметить, что период его колебаний не будет всюду одинаковым: в одних местах он будет качаться быстрее, в других медленнее. Разница будет очень мала, но современными точными способами наблюдений ее все же вполне возможно подметить.
Разница в скорости качания маятника указывает на различие размера силы тяжести в разных местах на поверхности Земли. Частично это различие вызвано географическим положением точки наблюдения. Благодаря вращению Земли, на ее поверхности всегда действует центробежная сила, уменьшающая силу притяжения. Ясно, что центробежная сила должна быть наибольшей на экваторе, где точки, лежащие на поверхности Земли, должны за сутки пробежать наибольший путь и где, следовательно, скорость их движения максимальна. Величину центробежной силы можно рассчитать. На экваторе она равна одной двухсот восьмидесяти восьмой доле силы тяжести, на других широтах она меньше, а на полюсе равна нулю. Следовательно, человек, весящий на полюсе 70 кг, на экваторе весит на четверть килограмма меньше. Влияние географического положения пункта наблюдения может быть высчитано и исключено из наблюденного результата. На величину силы тяжести влияет также высота точки наблюдения над уровнем моря, поскольку с удалением от центра Земли величина силы притяжения должна ослабевать. Это влияние также может быть вычислено. Оказывается, что на высоте 10 км тот же 70-килограммовый человек весил бы на 230 г меньше, чем на поверхности моря.
Если учесть оба указанные влияния, связанные с центробежной силой и с высотой места над уровнем моря, то все же окажется, что во многих местах на поверхности земли величина силы тяжести отличается от нормальной. Это отличие наблюденной силы тяжести от нормальной называется аномалией силы тяжести. В каждом случае она связана с тем, что под поверхностью земли в разных местах залегают породы, плотность которых отличается от средней плотности — больше или меньше ее. Таким образом, массы, которые действуют на маятник, в разных местах несколько различны.
Отсюда следует, что наблюдения над скоростью качания маятника позволяют судить о различиях в плотности пород, лежащих в земной коре в разных местах. Здесь снова гравиметрический метод не дает возможности сразу узнать, какие именно это породы, но, зная плотности распространенных пород, мы во многих случаях можем догадаться, наличие каких пород следует предполагать на глубине.
Неудобство гравиметрического метода в том, что он указывает на среднюю плотность всех пород, находящихся под данным пунктом наблюдений, и дает очень мало сведений о том, на какой глубине залегают породы той или иной плотности. Поэтому этот метод особенно хорош, когда он применяется совместно с сейсмическим. Два метода — сейсмический и гравиметрический — друг друга как бы дополняют.
Маятниковые приборы для измерения силы тяжести трудны в обращении. Значительно чаще используются сейчас для той же цели гравиметры. Основная часть этих приборов — кварцевая или металлическая пружина, к которой подвешен груз; сила тяжести измеряется по растяжению пружины. Пружина может быть заменена нитью, а конструкция прибора может быть такой, что сила тяжести вызывает с помощью наклонно двигающегося груза закручивание нити. По степени закручивания и определяется величина силы тяжести.
Магнитометрический и электрометрический методы состоят в изучении расположения в земных недрах пород с различными магнитными и электрическими свойствами. Эти методы также нередко применяются в комбинации с предыдущими. Комплекс геофизических методов, примененных совместно в одном месте, позволяет выяснить совокупность различных физических свойств горных пород, залегающих на глубине, а это в свою очередь, конечно, позволяет точнее решить вопрос, с какими именно породами мы имеем дело.
Для решения ряда вопросов внутреннего строения Земли используются также методы, которые могут быть названы астрономическими. Например, колебания в положении полюсов, происходящие под влиянием притяжения со стороны Луны, Солнца и ближайших планет, позволяют судить о твердости вещества земного шара. Той же цели служат наблюдения над так называемыми твердыми приливами в земной коре. Притяжение Луны и Солнца вызывает приливы не только в океанах, но и в твердой земной коре: пока Земля совершает оборот вокруг своей оси, две выпуклые волны, направленные одна к притягивающему небесному телу, другая — в противоположную сторону, разделенные двумя вогнутыми волнами, бегут в шпротном направлении по поверхности материков. В связи с твердыми приливами Москва, например, дважды в сутки со всеми своими домами и со всем своим населением поднимается и опускается приблизительно на 30 см. Размер твердых приливов указывает на величину жесткости твердого тела Земли.
Источник: В.В. Белоусов. Земля, ее строение и развитие. Издательство Академии наук СССР. Москва. 1963