"Строение Луны" - читать интересную книгу автора (Галкин Игорь Николаевич, Шварев Валентин...)

Сейсмичность и скоростная структура Луны

Методика эксперимента. Наиболее важные сведения о строении и состоянии недр Луны были получены благодаря лунному сейсмическому эксперименту. Он проводился в рамках программы «Аполлон» и состоял из непрерывной регистрации естественных лунотрясений и падений метеоритов с помощью сейсмометров, установленных американскими космонавтами на поверхности Луны, а также из активного исследования — с помощью искусственных источников сейсмических волн: взрывов и ударов при падении космических аппаратов (лунной кабины, ступени ракеты-носителя) на поверхность Луны. [2]

Первый лунный сейсмометр был установлен 20 июля 1969 г. в Море Спокойствия на видимой стороне Луны во время экспедиции «Аполлона-11». Он питался солнечными батареями и вел сейсмическую запись только днем. В период с ноября 1969 г. по декабрь 1972 г. на. видимой стороне Луны была создана сеть из четырех однотипных автоматических сейсмических станций, которые питаются изотопными энергетическими установками, рассчитанными на 10 лет непрерывной работы. Координаты и дата начала работы станций приведены в таблице.

Каждая из этих станций оборудована сейсмометрами двух типов и электронным блоком (рис. 1). Три длиниопериодных сейсмометра расположены вертикально и горизонтально и позволяют фиксировать сейсмические волны от удаленных источников и определять направление на эпицентр. Для более точного выделения воля на малых расстояниях используется вертикальный короткопериодный сейсмометр. Эти сейсмометры чувствуют ничтожные перемещения поверхности, соизмеримые с размерами атома (10^-8 см). На Земле вести наблюдения при такой чувствительности аппаратуры почти невозможно: мешают микросейсмы, волнение океана, ветер, а также промышленные механизмы. Луна в связи с отсутствием атмосферы, гидросферы, биосферы и активных внутренних процессов представляет собой идеальный полигон для сверхточных сейсмических исследований.

Электронный блок сейсмической станции включает усилитель, фильтр, командно-контрольную схему и аналого-цифровой преобразователь (передача сейсмических данных на Землю происходит со скоростью 1060 бит/с). Вся станция потребляет мощность лишь 4,3–7,4 Вт; температура внутри приборов постоянная с точностью ±1 °C. Вес каждого сейсмометра 750 г, размеры без термостата 23 х 29 см. Общий вес сейсмической станции 11, 5 кг. Сейсмометры управляются с Земли при помощи команд, которые регулируют усиление, калибровку, скорость и направление движения моторов, устанавливающих с точностью ±5° нужные азимут и наклон вертикальных сейсмометров.

Рис. 1. Лунные сейсмометры (а — блок-схема, б — частотные характеристики):

1 — солнечный компас; 2 — датчик уровня; 3 — короткопериодный сейсмометр (КП); 4 — длиннопериодный сейсмометр (ДП); 5 — термостат

В настоящее время действуют все сейсмометры этой сети, кроме короткопериодного, установленного экспедицией «Аполлона-12», и вертикального длиннопериодного сейсмометра «Аполлона-14».

Лунные сейсмограммы совершенно непохожи на земные (рис. 2): амплитуда зарегистрированных сейсмических колебаний нарастает постепенно и спадает еще более медленно («сейсмозвон» на Луне длится часами). Записи на вертикальном и горизонтальном сейсмометрах непохожи друг на друга, и не существует четких вступлений волн в последующей части записи — для их выделения приходится прибегать к различным ухищрениям: использовать узкополосные частотные и поляризационные фильтры и т. д.

Рис. 2. Форма записи тектонических, приливных лунотрясений и ударов метеоритов

Для этих вначале заинтриговавших особенностей лунных сейсмограмм было получено объяснение. Дело в том, что верхний слой Луны очень неоднороден и разбит трещинами вследствие метеоритной бомбардировки. Сейсмические сигналы, рассеиваясь на этих неоднородностях, растягиваются «во времени» и разрушаются. При этом из-за отсутствия на Луне воздуха и воды тепловые потери упругой энергии невелики, и, наоборот, так называемая сейсмическая добротность (величина, обратная потере энергии на одном цикле сейсмических колебаний) большая — поэтому-то колебания не затухают очень долго (рис. 3).

Особенности распространения сейсмических волн в такой неоднородной среде довольно точно описываются уравнениями диффузионной теории (кстати говоря, как и в случае броуновского движения молекул). С помощью этих уравнений получены следующие оценки свойств лунного рассеивающего слоя: его эффективнаямощность равна 15–25 км, размеры неоднородностей— 2–5 км (причем степень неоднородности уменьшается с глубиной).

Приливные лунотрясения. Среди естественных сейсмических событий на Луне выделяют приливные, тепловые и тектонические лунотрясения, а также падения метеоритов. Сейсмологами разработаны критерии распознавания природы события по виду его записи, подобные тем, которые используются на Земле для идентификации землетрясений и ядерных взрывов.

Тепловые сотрясения почвы вызываются перепадами температур поверхности Луны, достигаемых в течение лунного дня и лунной ночи (до 300 °C). Они сопровождаются растрескиванием огород и оползанием склонов кратеров, что приводит к медленному выравниванию лунного рельефа (за 5 млн. лет склон 200-метрового кратера становится более пологим на 1°). Однако абсолютное большинство всех сейсмических явлений на Луне (около 90 %) составляют относительно редкие, регулярные, весьма слабые приливные лунотрясения с очень глубокими очагами.

В настоящее время проанализированы сейсмические данные, полученные с помощью лунных сейсмометров за период с ноября 1969 г. по июль 1972 г. За это время зарегистрировано около 5400 сейсмограмм приливных лунотрясений. В среднем около 600 таких лунотрясений ежегодно фиксируется в Океане Бурь на станции «Аполлона-12», 650 — в Апеннинах («Аполлон-15»), 1500 — в районе Фра-Мауро («Аполлон-14») и около 3000 — в районе кратера Декарт («Аполлон-16»). Различие в количестве подобных сейсмических явлений, зарегистрированных станциями, объясняется грунтовыми условиями: лунотрясений больше там, где мощнее верхний слой грунта и подстилающих его обломочных пород — брекчий. Всеми станциями регистрируется в среднем около 700 приливных лунотрясений в год, но только 25 % записей из них пригодны для анализа.

Все приливные лунотрясения очень слабы. Энергия, выделяемая в их очаге, составляет 10⁷ — 10⁹ эрг, что эквивалентно световой энергии люстр в Большом театре. Условная величина интенсивности события, принятая в сейсмологии — магнитуда, — для приливных лунотрясений равна 0,5–1,3, тогда как у самых сильных землетрясений она достигала 8, 5. На Земле сотрясения почвы, столь же слабые, как приливные лунотрясения, не удается различить на фоне более интенсивных микросейсм. Если просуммировать энергию по всем известным очагам приливных лунотрясений и считать, что на обратной стороне сейсмичность не выше, чем в районе Декарта, то получится общий расход сейсмической энергии приливных лунотрясений в год, равный 10¹⁰ — 10¹² эрг. Это более чем в триллионы раз меньше энергии землетрясений.

Рис. 3. Характер убывания амплитуд на сейсмограммах:

1 — земные сейсмограммы на скальном грунте; 2 — земные — на слое осадков; 3 — теоретическая кривая для диффузионного рассеяния; 4 — экспериментальная кривая для Луны

Кривые зависимости числа лунотрясений от амплитуды колебания грунта в сейсмической волне, эквивалентные «графикам повторяемости» землетрясений, показывают силу самого большого сотрясения, а также количество самых слабых толчков. Их— наклон для лунотрясений в 1,5–3,7 раза круче, чем у тектонических землетрясений. Это значит, что Луна устроена так, что в ней происходит много слабых сейсмических толчков и невозможны сильные. Подобные зависимости на Земле получаются для мелкоочаговых вулканических землетрясений, а также для подводных землетрясений в регионах срединных океанических хребтов.

Благодаря тому что сейсмические станции на Луне расположены в вершинах треугольника со сторонами около 1000 км, удается определять как положение эпицентра, так и глубину очага лунотрясения (эпицентром называется проекция очага на поверхность). Однако из-за малого количества станций точность таких определений невелика (50 — 100 км). Для всех очагов форма записи остается постоянной за все время наблюдения. По этому свойству выделена 41 очаговая зона, для 27 из них определены координаты эпицентров, а для 18 — глубины очагов.

Эпицентры группируются в два узких протяженных сейсмических пояса. Первый располагается примерно по меридиану (по 20–30° з. д.), начинается у 30° с. ш. и растягивается на 2000 км до 40° ю. ш. (расширяясь от 100 км на севере до 200–300 км на юге). Второй пояс шириной более 300 км тянется на 1800 км от центра видимой стороны Луны на восток-северо-восток. Близ его продолжения находится единственный эпицентр, зафиксированный на обратной стороне Луны.

Намечается некоторая связь положения эпицентров с особенностями лунного рельефа. Эпицентры первого сейсмического пояса, включающего половину очагов и 63 % общего числа лунотрясений, проходят по западному обрамлению Морей Дождей, Познанного и Облаков (и даже слегка отклоняются к востоку по контуру Моря Облаков). При этом 50 % числа лунотрясений происходит на 700-километровом участке в области сочленения Океана Бурь с Морями Познанным и Облаков.

Больше половины эпицентров второго сейсмического пояса также попадают на окраины лунных морей: два находятся на юге Моря Ясности, два — на севере и востоке Моря Кризисов, три — в горных районах, разделяющих Моря Ясности и Спокойствия (рис. 4).

Рис. 4. Карта эпицентров лунотрясений (кружки — приливные, крестики — тектонические, малый кружок — число лунотрясений менее 5 % от общего, средний — менее 10 %, большой — более 20 %, полый кружок — глубина не определена, залитый на четверть — глубина 500–600 км, залитый наполовину — менее 600–700 км, залитый полностью — 700–900 км, заштрихованный кружок — очаг на обратной стороне Луны). Треугольниками с соответствующими номерами показаны сейсмические станции «Аполлонов»

Все приливные лунотрясения происходят глубоко в недрах Луны. Об этом свидетельствуют четкие фазы поперечных волн, большая амплитуда первых вступлений, меньшее время нарастания амплитуд по сравнению с сейсмическими явлениями ударного происхождения, относительно простая форма сигнала в интервале между вступлениями продольных и поперечных волн. Очаги располагаются на глубинах 400–900 км, однако gt;85 % из них приходится на более узкий интервал — 600–800 км. Стабильность формы записей лунотрясений из одного очага (для одной станции) означает, что размеры очаговой зоны не более 10–20 км. Зона эпицентров приливных лунотрясений имеет сложный рельеф. Намечается подъем очагов в северной, южной и центральной частях первого сейсмического пояса. Во втором поясе расположены самые глубокие очаги, причем западная половина имеет большие глубины. В целом максимальные глубины очагов приходятся на приэкваториальный район (в том числе очаг с обратной стороны Луны), а минимальные соответствуют центральной части юго-западной четверти видимой стороны Луны[3].

В последовательности приливных лунотрясеиий наблюдается строгий порядок — увеличение числа лунотрясений через 13, 27 и 206 земных суток. Предполагается также еще более продолжительная (6-годичная) изменчивость количества приливных лунотрясений, которая успела проявиться лишь в самой длинной серии наблюдений — на станции «Аполлона-12». Максимальное число лунотрясений произошло в первой половине 1970 г., затем наблюдался плавный спад активности, в 1972 г. Луна была наиболее пассивной. Следующий подъем сейсмичности ожидался в 1976 г. (рис. 5).

Рис. 5. Связь периодичности лунотрясений (нижний рис.) с либрацией Луны (верхний рис.). Горизонтальная шкала — календарь, вертикальная внизу — амплитуды лунотрясений, вверху — широта ближайшей к Земле точки на поверхности Луны

Наблюдаемая периодичность лунотрясений может быть расшифрована, исходя из закономерностей вращения и движения Луны в гравитационных полях Земли и Солнца. Орбита Луны является едва ли одной из самых сложных планетарных орбит. Луна вращается вокруг Земли по эллипсу со средним расстоянием 384 тыс. км и со средним эксцентриситетом орбиты 0,05. Период ее обращения равен 27, 32 земных суток, за это же время совершается полный оборот Луны с запада на восток вокруг оси. Лунный экватор имеет небольшой наклон к эклиптике и к лунной орбите. В системе Земля — Луна действуют приливообразующие силы, и вследствие конечно. вязкости планет имеет место диссипация приливной энергии. Кроме того, гравитация Солнца вызывает периодические вариации лунной орбиты, проявляющиеся в изменении эксцентриситета и расстояния Земля — Луна в перигее. В результате всего этого возникает характерная особенность — физическая либрация Луны, осложняющая ее движение и вращение. Она имеет широтную компоненту с периодом 6 лет и долготную — 206 суток.

Первоначально при изучении приливных лунотрясений казалось, что их толчки приурочены к моментам апогея и перигея Луны на орбите вокруг Земли. По мере накопления данных выяснилось, что картина сложнее: пики сейсмической активности сдвинуты в соответствии с периодами либрации Луны. В то же время семимесячный максимум сейсмической активности привязан к наибольшему эксцентриситету лунной орбиты.

На основании всего сказанного ни один из исследователей сейсмичности Луны сейчас не сомневается во внешней, космической природе приливных лунотрясений — роль «спускового механизма» в них играют силы притяжения Земли и Солнца.

Проблема прогноза планетотрясений, столь сложная и важная на Земле, на Луне решается просто — «расписание» приливных лунотрясений можно составить исходя из законов небесной механики. Так, например, отмечена зависимость момента сейсмического толчка в соответствующем эпицентре от положения на поверхности Луны точки, лежащей на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны.

Итак, приливные лунотрясения можно предсказать, но настолько ли это важно? Ведь они чрезвычайно слабы и неопасны, и, в частности, будущим конструкторам лунных городов и ракетодромов не потребуется вводить в свои расчеты поправки на сейсмостойкость сооружений. Возможный механизм приливных лунотрясений мы обсудим несколько позже, после изложения результатов геофизических исследований недр Луны.

Тектонические лунотрясения. Сейсмический эксперимент на Луне был ориентирован в основном на регистрацию тектонических лунотрясений, поэтому станции устанавливались в районах контакта крупномасштабных поверхностных структур. Однако за все время наблюдений было зафиксировано лишь 11 толчков, возможно имеющих тектоническую природу. Но несмотря на малое их количество, они поднимают общую сейсмическую энергию лунотрясений на несколько порядков (до 10¹⁵ эрг).

Первая характерная особенность подобных событий — высокочастотность их записей (по этому признаку они резко отличаются как от приливных лунотрясений, так и от ударов метеоритов) (см. рис. 2). Вступления продольных и поперечных волн очень четкие, что указывает на малое рассеяние волн вблизи источника. Наклон «кривых повторяемости» (0, 5) много меньше, чем у приливных и тепловых лунотрясений, и ближе к землетрясениям. Энергия тектонических лунотрясений на несколько порядков выше, чем у приливных лунотрясений; их магнитуда достигает 4. Записи тектонических лунотрясений (наряду с ударами крупных метеоритов) использованы для изучения глобальной скоростной структуры Луны.

Все выявленные тектонические лунотрясения оказались вне сети лунных сейсмических станций на расстояниях больше 600 км: 10 из 11 были зафиксированы всеми станциями, для 4 из 11 определены лишь азимут и расстояние, для 7 — координаты (с точностью 5°). Все эпицентры расположены на периферии границы видимой и обратной сторон Луны: 9 — на видимой, 2 — на обратной (без явной связи с поверхностными структурами). Подобно приливным тектонические лунотрясения не обнаружены в юго-восточной четверти видимой стороны Луны. Они не регулярны, их форма записи не повторяется. Глубина очагов определена неточно, по характеру записи одного из сильных тектонических лунотрясений получена нижняя оценка глубины его очага — 300 км, в то же время очаги находятся глубже рассеивающего слоя коры мощностью 25 км.

Сейсмическая разведка верхней части разреза. Во время экспедиций «Аполлонов» были проведены сейсмические исследования структуры недр разного масштаба: сейсморазведка верхней части разреза, зондирование коры и сейсмическое «просвечивание» мантии. Первое детальное исследование скоростей продольных волн в лунном грунте было проведено в районе Фра-Мауро во время экспедиции «Аполлона-14». Три сейсмометра записали постукивание астронавтов по грунту на расстоянии 100 м. Более дальние точки были получены при взлете лунной кабины и с помощью специальных гранат, взорванных после отлета астронавтов по команде с Земли.

Похожий эксперимент был проведен астронавтами «Аполлона-16» в континентальном районе кратера Декарт. Были изучены глубины до 200 м. Наконец, во время экспедиции «Аполлона-17» в районе Тавр-Литтров удалось «осветить» строение верхних слоев до глубины 1,5 км. По записям на сейсмологических станциях падений космических аппаратов были определены скорости распространения поперечных сейсмических волн.

В результате всех исследований установлено, что верхняя часть Луны состоит из отдельных слоев, в которых скорость сейсмических волн скачкообразно увеличивается с глубиной. Верхние два слоя имеют свойства, сходные в различных регионах, удаленных друг от друга и сложенных разными породами. Это объясняется их одинаковым происхождением: разброс обломков при ударах крупных метеоритов и их последующее дробление мелкими. Характеристики лунного грунта (реголита): мощность — 2 — 12 м, скорость продольных волн — 90 — 115 м/с, скорость поперечных волн — 35–37 м/с, отношение скоростей продольных и поперечных волн — 2,7–2,9, коэффициент Пуассона [4] — 0,42 — 0,43, плотность — 1,5–1,6 г/см³, пористость — более 50 %. В слое обломочного материала (брекчий): мощность — 18–38 м, скорость продольных волн — 300 ± 50 м/с, отношение скоростей — 2,2–2,4, коэффициент Пуассона — 0,37 — 0,40, плотность — 1,7–1,8 г/см³. По сравнению с грунтом Земли лунный имеет очень низкие скорости и высокое отношение скоростей (большой коэффициент Пуассона).

Зондирование коры. Лунная кора была изучена в юго-восточной части Океана Бурь, где на расстоянии 180 км находились сейсмические станции «Аполлона-12 и -14». При этом использовался довольно необычный (для Земли) способ возбуждения упругих волн — сбрасывание отработанных отсеков космических кораблей. Экспедиции «Аполлонов» производили на поверхности Луны по два сейсмических толчка. Первый, когда третья ступень ракеты «Сатурн-5» весом более 14 т направлялась по команде с Земли в заданную точку поверхности Луны. При почти вертикальном падении со скоростью у поверхности 2,5 км/с возбуждались сейсмические волны такой силы, как при взрыве 10 т тротила. Второй толчок был вызван, когда взлетная ступень после возвращения экипажа в основной отсек была сброшена вблизи соответствующей сейсмической станции. При массе 2,4 т, скорости у поверхности 1,7 км/с и «пологой» траектории подлета к поверхности удар лунной кабины был эквивалентен взрыву 800 кг тротила.

Сеть лунных сейсмических станций зарегистрировала 9 таких «искусственных» ударов, а также один естественный — от падения метеорита весом более 1 т, который «удачно» упал (13 мая 1972 г.) в 140 км к северу от сейсмической станции «Аполлона-14». Всего было получено 14 сейсмограмм, из них 9 на расстоянии источник-приемник 67 — 358 км и 5 на расстоянии 850 — 1100 км (рис. 6, а). Сейсмические записи анализировались в соответствии с методами, принятыми в практике земного глубинного сейсмического зондирования коры. В связи с недостаточной точностью наблюдений и погрешностями в определении на сейсмограммах времен вступлений волн скоростное строение коры Луны определено с некоторым приближением. В верхней трети коры скорость продольных сейсмических волн быстро нарастала от значений 100 м/с в реголите до 4,5–5,0 км/с на глубине 10 км и 5,5–5,8 км/с на глубине 20 км.

Рис. 6. Сейсмические исследования лунной коры (а — сводка сейсмограмм, б — годограф):

1 — первые вступления; 2 — последующие вступления; 3 — кратные волны, цифры на годографе — кажущиеся скорости волн; в — варианты скоростного разреза коры (толстые линии) и полоса, включающая все возможные разрезы (тонкая линия); разной штриховкой показаны скорости в породах:

1 — лунные морские базальты; 2 — лунные анортозиты; 3 — земные габбро; 4 — пироксены; 5 — оливины; 6 — гранаты

В нижней части коры скорость сейсмических волн остается почти стабильной — 7,0 км/с. Однако возможно стабильность лишь кажущаяся, ведь нижние слои коры даже в случае более детальных наблюдений на Земле «освещаются» настолько неточно, что подчас трудно отличить слабое увеличение скорости сейсмических волн от ее плавного уменьшения (рис. 6, в).

В мантии Луны скорость сейсмических волн возрастает скачком до значений 8 км/с и более. Граница кора-мантия, аналогичная границе Мохоровичича на Земле, еще не получила на Луне своего наименования. Характер перехода от коры к мантии оставался невыясненным, пока к анализу времен пробега волн не прибавили анализ их амплитуд и спектров. Всплески волн в последующей части записи, опознанные как отражения от границы кора-мантия, показали, что это, собственно, не граница, а переходный слой толщиной от 3–4 до 10–12 км. В некоторых интерпретациях предполагается резкое увеличение скорости внутри коры от 5,8 до 6,8 км/с на глубине 25 км.

Когда сейсмическая волна, превышая первую космическую скорость (для Земли), проникает в лунную мантию, загадок прибавляется. На расстоянии 340–360 км от сейсмических станций скорость ее пробега 9 км/с, а на удалениях порядка 1000 км — только 7,7 км/с (рис. 6, б). Быть может, здесь из-за малой интенсивности волн потеряны самые первые вступления, а, может быть, граница кора-мантия имеет наклон. Данных пока мало, чтобы выбрать тот или иной вариант. Поэтому и объяснение может быть двояким. Либо высокоскоростной блок в верхах лунной мантии существует только на юго-востоке Океана Бурь, либо во всем регионе Фра-Мауро — Апеннины — Декарт в самой верхушке мантии имеется высокоскоростной «козырек». Его толщина, судя по амплитудам волн, не превышает 40 км.

В последнее время на ранее прочитанных сейсмограммах с помощью специальных методов удалось дополнительно выделить вступления поперечных волн. Времена их пробега в коре соответствуют отношению скоростей 1,72 и величине коэффициента Пуассона, равной 0,25, что типично для компактных кристаллических пород.

Сейсмические скорости и добротность мантии. Энергии волн от ударов космических аппаратов хватает из то, чтобы прозондировать Луну только до 150 км. Глубже сейсмическую «эстафету» принимают крупные метеориты, тектонические лунотрясения и очаг приливных лунотрясений с обратной стороны Луны. Такая основа для построения модели мантии не слишком надежна: место., глубина и момент сейсмического явления известны с большими погрешностями.

Первые интригующие сведения о глубинной сейсмической структуре центральной части Луны принесли записи удара метеорита с массой около 1 т, угодившего 17 июля 1972 г. в кратер Москвы на обратной стороне Луны. Удар «качнул» сейсмометры всех станций сети «Аполлон». Однако на записях тех из них, «по дороге» к которым сейсмические волны проникали глубже 800–900 км, поперечных волн не оказалось. Этот важный феномен был подтвержден 12 приливными лунотрясениями из очага на обратной стороне близ экватора. Наконец, на последней VII Лунной конференции в Хьюстоне в марте 1976 г. было сообщено об аналогичном явлении при сейсмическом «просвечивании» Луны из района южного полюса, где произошло одно из самых интенсивных мелкофокусных лунотрясений.

Общепризнанным является следующее. Примерно на середине радиуса Луны свойства ее вещества резко изменяются — глубже не проходят или очень сильно ослабевают поперечные волны. И опять возможны разные объяснения — или увеличивается поглощение поперечных волн, или скачком уменьшается скорость и образуется «зона тени», в которой энергия волн ослабевает.

Анализом результатов сейсмических исследований Луны заняты многие ученые разных стран. Ведущая роль принадлежит одноименным лабораториям Земли и планет Техасского университета (во главе с Г. Латемом) и Массачусетского технологического института (во главе с Н. Токсоцом). Эти исследовательские группы по-разному подходят к оценке скоростной структуры глубоких недр Луны.

Г. Латем и его сотрудники по 20 сейсмограммам с записями четырех мелкофокусных тектонических лунотрясений и двух удаленных ударов метеоритов построили зависимости времен пробега продольных и поперечных воли от расстояния (годографы) (рис. 7). При внимательном анализе этих зависимостей на удалении 2600 км было замечено небольшое запаздывание времени вступления продольной волны и несколько больше — для поперечной. Это объяснено существованием сейсмической границы на глубине 200–300 км, разделяющей верхнюю и среднюю мантию Луны.

Рис. 7. Глобальные лунные годографы продольных (Р) и поперечных (S) волн

Верхняя мантия характеризуется постоянной или слегка убывающей скоростью как продольных, так и поперечных волн; при этом их отношение такое же, как и у компактных кристаллических земных пород.

В средней мантии скорость распространения сейсмических волн уменьшается скачком, в особенности скорость поперечных, так что их соотношение отвечает очень большому коэффициенту Пуассона (0,36). Глубина границы определяется не очень точно, но ее резкость, т. е. скачкообразное изменение скорости, подтверждается волнами от глубоких лунотрясений. На этой границе изменяется характер колебания частиц в сейсмической волне — продольная волна превращается в поперечную, поперечная — в продольную (в средней мантии скорость распространения поперечных волн продолжает уменьшаться с глубиной).

На глубине 800–900 км начинается— нижняя мантия, или «астеносфера» Луны, переход к ней постепенный — отраженных от ее поверхности волн не зафиксировано.

Данных о центральной части Луны пока крайне мало. На московской встрече советских и американских исследователей Луны в июне 1974 г. Г. Латем сообщил важный результат: на записи удара метеорита на расстоянии 168° продольные волны опаздывали на 57 с. Это может означать, что на глубине 1380–1570 км скорость распространения продольных волн упала до 4–5 км/с. На VII Лунной конференции новых подтверждений этого факта не представлялось, так что существование внутреннего ядра в Луне пока не доказано (рис. 8).

Рис. 8. Скоростная модель лунных недр по Латему (1) и Токсоцу (2). У правой шкалы ординат показаны ограничения на размер ядра из сернистого железа (FeS) и чистого железа (Fe)

Ученые Массачусетского технологического института полагают, что для детального расчленения мантии Луны данных пока мало, и ограничиваются средними оценками скоростей распространения сейсмических волн (см. рис. 8). Они. разработали процедуру определения средних скоростей сейсмических волн в толще мантии над очагом приливного лунотрясения. При этом для улучшения отношения сигнал-шум проводилось суммирование стабильных по форме записей сейсмических толчков.

В районе Моря Познанного до глубины 880 км средняя скорость распространения продольных волн в мантии Луны — 7,9 км/с, поперечных — 4,4 км/с; их отношение — 1,8, коэффициент Пуассона — 0,3. В юго-восточной части Моря Дождей средние сейсмические характеристики мантии до глубины 920 км сходные: скорость распространения продольных волн — 8,1 км/с, поперечных — 4 0 км/с, их отношение 2,0, коэффициент Пуассона — 0,33.

Сейсмические наблюдения позволяют определить не только скорости распространения продольных и поперечных волн, но и меру близости реального вещества к модели идеальной упругости — степень поглощения энергии за счет необратимых тепловых потерь на пути пробега сейсмических волн. Такой мерой служит добротность — безразмерная величина, обратная коэффициенту затухания — аналогичная добротности радиосхем: чем она выше, чем дольше звучание.

Сейсмическая добротность лунных пород оценивалась несколькими способами: лабораторным (измерения на образцах, помещенных в вакуум), теоретическим (сравнение сейсмограмм с расчетами), экспериментальным (измерение закона убывания амплитуд на сейсмограммах). В последнем методе рассматривалось ослабление амплитуд сейсмической записи в зависимости от времени, расстояния и частоты. Различные определения дали согласующиеся результаты. По новым данным, выделяется слоистая структура Луны по сейсмической добротности.

В верхнем слое (реголите) величина добротности для продольных волн 100–300, в рассеивающем слое коры — 3000–5000, во всей 500-километровой толще литосферы — 5000 (по некоторым определениям — 7000 — 10 000), глубже добротность падает до значения 3500 (на глубине 600 км), 1400 (950 км) и 1100 (1200 км). В астеносфере Луны добротность по продольным волнам не превышает 500.

По амплитудам поперечных волн сейсмическая добротность верхней 300-километровой толщи оценивается величиной 4000, в слое 500–800 км она уменьшается до 1500, в астеносфере падает еще в 10–15 раз.