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).