Собственные колебания Земли

В 1960 г. в Хельсинки во время съезда Международной ассоциации сейсмологии и физики земных недр состоялись доклады ученых, посвященные регистрации и анализу записанных длиннопериодных волн от Чилийского землетрясения 22 мая 1960 г. Их периоды очень хорошо совпадали как по данным сейсмологов, так и по данным, зарегистрированным с помощью высокочувст-вительного приливного гравиметра Ла-Коста. Эти периоды составили: 54; 35.5; 25.8; 20; 13.5; 11.8; 8.4 мин. Обе группы наблюдений оказались в замечательном согласии друг с другом и все сомнения относительно истинности записи собственных диннопериодных колебаний отпали.

Собственные колебания Земли – это новая и, пожалуй, наиболее перспективная область геофизического поиска, а их экспериментальное обнаружение – одно из интереснейших и наиболее крупных достижений геофизики и современного естествознания вообще. В экспериментальном плане собственные колебания стыкуют сейсмологию и гравиметрию. Действительно, при собственных колебаниях происходит механическое «дрожание» тела Земли, которое сейсмологи регистрируют с помощью длиннопериодных сейсмографов. Эти механические колебания всей Земли в целом, как упругого тела, сопровождаются «дрожанием» гравитационного поля Земли, которое регистрируется гравиметрами высокой чувствительности. Таким образом, собственные колебания Земли представляют собой связанные колебания упругого и гравитационного полей. Спектр этих колебаний – линейчатый, т.е. он распадается на дискретные частоты – собственные частоты Земли.

Подобно тому, как масса Земли М и её момент инерции I являются интегральными параметрами Земли и определяются распределением плотности в её недрах, собственные частоты или, что то же самое, собственные периоды, также являются интегральными параметрами Земли. Однако как интегральные параметры Земли собственные частоты представляют собой более сложные величины, чем масса М и момент инерции I, так как они зависят не только от распределения плотности в Земле, но и от распределения её упругих параметров: модуля сжатия и модуля сдвига, а также распределения гравитационного поля в недрах планеты. В настоящее время измерено около тысячи собственных частот Земли. Таким образом, к двум интегральным параметрам Земли было добавлено ещё около тысячи интегральных параметров.

Собственные колебания Земли делятся на два класса:

а) крутильные колебания, вектор смещения которых перпендикулярен к радиусу сферы, за которую с хорошим приближением принимается Земля;

б) сфероидальные колебания; в них вектор смещения имеет составляющие и по радиусу и по азимутальным направлениям.

Крутильные колебания, в отличие от сфероидальных, не связаны с изменением объёма и формы планеты, поэтому они не изменяют гравитационное поле Земли и не регистрируются гравиметрами. Сейсмографы записывают колебания обоих типов. Поэтому сравнение спектра частот, записанного обоими методами, позволяет экспериментально разделить эти два класса частот.

Расчеты собственных колебаний Земли на различных моделях Земли уже сегодня позволили отдать предпочтение модели Гутенберга со слоем пониженных скоростей сейсмических волн на глубинах ~ 50-250 км в противовес модели Джеффриса, не обладающей таким слоем.