Как изучают недра Земли

С давних пор геологи изучают обнажения, т. е. места, где видны коренные горные породы — камень, глина, песок и т. д. (например, обрывы). Где обнажений мало или их нет вовсе, роют шурфы (ямы) и канавы. В некоторых местах пробуривают скважины глубиной в сотни метров и более и вынимают куски породы, которую бурят. Так составляется сплошная колонка пройденных скважиной горных пород.

Горные породы обычно залегают слоями, горизонтально или наклонно. Слои могут быть прямыми или изогнутыми. Изучив их расположение на некоторой территории, геолог мысленно определяет, как слои проходят под землей. Такой метод позволяет исследовать только верхнюю часть земной коры, самое большее до глубины в несколько километров, и притом лишь на суше.

Гораздо глубже проникнуть внутрь Земли помогает геофизика — наука, изучающая физические свойства и физическое состояние земного шара. Геофизика делится на физику атмосферы, физику моря и физику твердой Земли. Последнюю чаще называют просто физикой Земли, потому что слово «твердой» не совсем точно: сюда входит и физика земного ядра, внешняя часть которого жидкая. Физика Земли, в свою очередь, делится на сейсмологию, гравиметрию, магнитометрию, электрометрию и геотермики.

Для познания глубоких недр Земли в наше время больше всего дает сейсмология — наука о землетрясениях. Землетрясение происходит оттого, что в каком-то небольшом пространстве внутри Земли — очаге землетрясения — возникает разрыв: одна часть горных пород внезапно соскальзывает, сдвигается относительно другой. При этом из очага расходятся упругие сейсмические волны двух видов: продольные, похожие на звуковые волны,— частицы вещества колеблются вперед-назад вдоль направления хода волны, поперечные, когда колебания происходят поперек хода волны. Продольные волны идут почти вдвое быстрее поперечных. Дойдя до поверхности Земли, эти сейсмические волны порождают на ней поверхностные волны, которые и производят разрушения при землетрясениях (см. ст. «Землетрясения»),

Вдали от эпицентра, т. е. места наибольшего сотрясения на поверхности Земли, землетрясение людьми не ощущается, но чувствительные приборы — сейсмографы — записывают на бумажной ленте колебания почвы. Сильные землетрясения записываются даже на другой стороне земного шара. По этим записям — сейсмограммам — удается установить путь упругой волны в толще Земли и ее скорость в каждой точке пути.

Дело это не простое. Скорость волны зависит от состава горной породы, от температуры и давления, под которым эта порода находится. Так же как волны света и звука, сейсмические волны могут отражаться и преломляться. Их пути в Земле обычно бывают искривлены. Между тем из сейсмограммы можно узнать лишь время прихода волны, ее период и амплитуду. Вдобавок сейсмограф, естественно, в одной записи регистрирует все волны: продольные, поперечные и поверхностные, преломленные и отраженные, причем они нередко накладываются друг на друга. Вычислить путь и скорость каждой волны нелегко. Поэтому сейсмология — очень интересная, но сложная наука.

Для небольших глубин (до нескольких десятков километров) используют методы сейсмической разведки и глубинного сейсмического зондирования. Землетрясение заменяют взрывом небольшого заряда, закопанного в землю или опущенного в воду. Преимущество такого способа в том, что время и место взрыва известны исследователю, а время толчка в очаге землетрясения и положение очага (в особенности глубину) вычисляют по сейсмограммам.

Гравиметрия изучает ускорение силы тяжести (обычно для краткости говорят просто «сила тяжести») в различных местах на Земле. Известно, что сила тяжести меньше всего на экваторе и постепенно возрастает к полюсам. Но на это правильное распределение накладываются очень небольшие местные отклонения — аномалии силы тяжести (гравитационные аномалии). Они происходят от неодинаковой плотности горных пород: над скоплениями тяжелых пород сила тяжести больше, над скоплениями легких пород — меньше. Чтобы обнаружить аномалию, силу тяжести надо измерить с точностью до одной миллионной доли измеряемой величины. В этом главная трудность.

Силу тяжести чаще всего измеряют с помощью гравиметров. Это, по существу, необыкновенно чувствительные и точные пружинные весы с постоянным грузом. Иногда ее определяют по периоду качания специально устроенного маятника, а в последнее время расположение главных аномалий на земном шаре устанавливают, наблюдая движение искусственных спутников Земли. Зная места аномалий, можно узнать, в каких районах находятся более легкие и более тяжелые массы в Земле. Но определить глубину залегания этих масс часто бывает весьма трудно.

Гравиметрические измерения и астрономические наблюдения, включая наблюдения искусственных спутников, позволяют также вычислить общую массу Земли, момент ее инерции и форму. Момент инерции — это физическая величина, которая для вращающегося тела имеет тот же смысл, что инерция для тела, движущегося прямолинейно. Чем больше инерция тела, тем труднее изменить скорость его прямолинейного движения. Точно так же, чем больше момент инерции, тем труднее изменить скорость вращения. Момент инерции Земли зависит от распределения плотности в Земле: чем меньше плотность ее наружной части и больше плотность центральной, тем меньше момент инерции (при заданной массе Земли).

Формой Земли называют форму поверхности морей и океанов, мысленно продолженную под материки. Именно от этой воображаемой поверхности отсчитывают высоту какой-нибудь точки на материке, когда говорят «высота над уровнем моря». Как уже говорилось выше (см. ст. «Как измерили Землю»), форма этой поверхности очень мало отличается от слегка сжатого, как бы сплющенного эллипсоида (эллипсоид получается при вращении эллипса вокруг его оси). Сплющенность земного эллипсоида невелика : его полярная ось, или ось вращения, короче экваториальной оси, т. е. диаметра экватора.

Магнитометрия изучает магнитное поле Земли (см. ст. «Земля — магнит»). Магнитные аномалии (нарушения) указывают на залежи пород, способных намагничиваться. Сильно намагничиваются некоторые железные руды, слабее — лавы вулканов и другие породы.

Электрометрия изучает электрические токи в Земле. Для разведки полезных ископаемых на исследуемой площади создают искусственно ток и, измеряя силу его в разных точках, определяют расположение пород с различной электропроводностью.

Для изучения более глубоких недр Земли используется магнитотеллурическое зондирование. Оно состоит в том, что наблюдают одновременно вариации (изменения) магнитного поля, порождаемые космическими причинами, и теллурические (земные) токи, возникающие в Земле как следствие этих вариаций благодаря индукции. Этот метод позволяет определить электропроводность вещества Земли на различных глубинах, вплоть до нескольких сотен километров. Электропроводность зависит от температуры, поэтому таким образом мы получаем некоторые сведения о температуре земных недр.

Вообще же изучением температуры и тепловых процессов в Земле занимается геотермика. Температуру измеряют специальными термометрами в буровых скважинах. Некоторое представление о состоянии земных недр получают, измеряя температуру горячих источников и вулканических лав. Установлено, что из недр Земли наружу все время идет поток тепла. Измерение этого потока в разных местах на Земле — важнейшая задача геотермики.