Строение Луны - Игорь Галкин

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.