Сейсмические исследования

День рождения лунной сейсмологии следует считать 21 июля 1969 года, когда первые лунные астронавты Н.Армстронг и Э.Олдрин установили автоматическую сейсмическую станцию на каменной равнине Моря Спокойствия в 168 метрах от лунного модуля. Аппаратура весом 48 килограмм питалась током от солнечных батарей и проработала с 21.07 по 27.08 с перерывом на лунную ночь (3-18 августа). К сожалению, из-за неисправности в управлении сейсмическая станция вышла из строя.

Непрерывные сейсмические наблюдения на Луне начались с ноября 1969 года на сейсмической станции Аполлона 12. Затем на видимой стороне Луны были установлены еще три станции Аполлонами 14, 15 и 16. Каждая станция была снабжена сейсмометрами двух видов: длиннопериодными (15-2,2 с) и короткопериодными с полосой пропускания 1- 30 Гц. Динамический диапазон сейсмометров 90 дБ (30000). Чувствительность приборов была настолько высока, что позволяла регистрировать колебания грунта, соизмеримые с размерами атома. Столь высокую чувствительность на Земле реализовать очень сложно, так как средний шум, обусловленный микросейсмами (ветер, промышленные шумы и т.п.), на два -- три порядка больше.

Вес каждого сейсмометра 750 г, общий вес станции 11,5 кг. Вся аппаратура управлялась с Земли. Для исследования недр Луны необходимы лунотрясения, хотя бы искусственные. Первое лунотрясение было создано отбрасыванием уже использованного лунного модуля, на котором астронавты летали на поверхность Луны. Удар 2,5 тонного аппарата Аполлона 12 на первой лунной космической скорости (1.7 км/с) был эквивалентен взрыву 800 кг тротила. С поверхности Луны поднялось многотонное облако пыли. Через 23,5 с дрогнул маятник сейсмометра. Колебание грунта продолжалось целый час! Это был один из главных сюрпризов Луны, который не ожидали геофизики.

Как уже говорилось, высадки на поверхность Луны в экспедиции Аполлон 13 не было, но они устроили хорошее лунотрясение. Третья ступень ракеты Сатурн весом 15 тонн, летевшая на второй космической скорости (2,5 км/с) врезалась в лунную поверхность на расстоянии 135 км от сейсмометров. Удар был эквивалентен 10-тонному взрыву тротила. Колебания сейсмометров не затухали целых 4 часа. Таким образом, удары о Луну вызывают ее долго не затухающие колебания, подобно тому, как если бы это был колокол. Геофизики, а вернее селенофизики, назвали это явление сейсмозвоном. Опыт тринадцатой экспедиции был использован и в последующих экспедициях.

На Земле записи взрывов и землетрясений на расстоянии сотен километров от эпицентра длятся не более 1 минуты на скальных грунтах и не более 10 минут на осадочной толще. В отличие от земных лунные сейсмограммы не имеют четкого вступления: сигнал достигает максимальной амплитуды, постепенно раскачивая маятник в течение 5-10 мин, затем колебания очень медленно затухают. Вокруг этого явления на земле возникла большая дискуссия. Предлагалось несколько гипотез, объясняющих сейсмозвон. Наиболее правдоподобная, по-видимому, диффузная теория. Были проведены как экспериментальные исследования, так и компьютерное моделирование.

Результаты моделирования сравнивались с реальными данными. Выяснилось, что рассеяние волн происходит в приповерхностном слое. Степень рассеяния в горизонтальном направлении на порядок выше, чем в вертикальном. Отсутствие четких вступлений объясняют тем, что волны разбиваются о многочисленные трещины, кратеры, борозды. Сейсмическая добротность на Луне равна приблизительно 5000, то есть на два порядка больше, чем на Земле. Это объясняют тем, что породы на Луне сухие, так как нет ни воды, ни воздуха.

Американские астронавты выполняли и сейсморазведочные работы с целью изучения строения верхних слоев Луны. При исследовании какого-либо профиля длиной несколько десятков метров астронавты каждые 4-5 метров производили удары по грунту. Кроме того, на профиле ставили установки для запусков гранат, которые запускались с Земли. В сейсморазведочных работах применялись только вертикальные сейсмометры, поэтому были изучены только скорости продольных волн. Скорости поперечных волн удалось определить по записям длиннопериодных сейсмометров основной сейсмической сети Аполлон.

Ответ на вопрос есть ли у Луны кора можно было дать только после хорошего удара о лунную поверхность. 13 мая 1972 года в 142 км от сейсмостанции А-14 упал метеорит, размером 2 м со скоростью 20 км/с. Удар был настолько силен, что образовался кратер диаметром 100 м. Приборы на сейсмостанциях А-12 и А-14 зашкалили, а на станциях А-15 и А-16 (расположенные соответственно в 967 и 1026 км) получили записи. После их обработки получили, что кора на Луне есть. Она слоиста, сложена из кальциево-алюминиевых пород и имеет высокий градиент скорости.

Перечислим основные результаты сейсмических исследований на Луне

Было установлено явление, которое в земных условиях не наблюдается -- сейсмозвон.

Поверхность Луны покрывает реголит толщиной 2-12 м со скоростью распространения сейсмических волн 100 м/с. Это уникальное образование, продукт метеоритного "вспахивания" и "обдувания" солнечным ветром в условиях глубокого вакуума. Он отличается от земных пород чрезвычайно низкой электропроводностью и высокой сейсмической добротностью.

Под реголитом залегают брекчии толщиной 18-38 м со скоростью распространения сейсмоволн 300 м/с. Эти породы похожи на обломочные породы вблизи вулканических кратеров.

Луна имеет слоистую структуру. Под реголитом и брекчиями скорость растет, иногда скачкообразно. До глубины 200 м скорость сейсмоволн достигает величин 500 м/с еще глубже до полутора километров глубиной скорость достигает величины 1 км/с. Наконец, под лунной корой скорость имеет обычную величину 4-5 км/с.

Для Луны, так же, как и для Земли, применяют понятия литосферы (каменной сферы) и астеносферы. В понятии литосфера объединяются кора, верхняя и средняя мантия, а под астеносферой понимают нижнюю мантию. Предполагают также, что Луна имеет и ядро, размером приблизительно 0,2 радиуса Луны. Это ядро, по-видимому, расплавленное сульфидо-железное. Скорость продольных волн там также резко падает, как и для Земли.