Мантийное вещество, обладая значительной пластичностью, пребывает в постоянном движении. Наиболее существенны среди всех потоков в области мантии т. н. конвекционные токи. Эти мантийные течения можно сравнить с бурлением кипятка в кастрюле. Природа их совершенно одинакова. Вещество мантии нагревается на больших глубинах, близ горячего ядра, в результате чего в этом слое рождаются вертикальные раскаленные потоки. Они достигают верхней области мантии, где остывают и растекаются в разные стороны в горизонтальном направлении.
Остывающие течения приводят в движение литосферные плиты, слагающие земную кору. Подвижки плит вызывают, в свою очередь, землетрясения, вулканические извержения, процессы горообразования и т. д. Наиболее внушительным последствием таких подвижек является дрейф континентов, последствия которого заметны лишь по прошествии многих миллионов лет. Материки медленно передвигались по поверхности мантийного слоя, сочетаясь друг с другом необычным образом и меняя свои очертания.
Земля былых геологических эпох не была похожа на современную. Скажем, 250 млн лет назад вся суша планеты была объединена в единый суперконтинент Пангею. Последние исследования показали, что задолго до того неоднократно происходили образования и распады великих сверхконтинентов, сходных с Пангеей. Ей предшествовали, поочередно сменяя друг друга, Метагея, Мегогея и Мезогея.
На глубине 1000 км происходит скачок плотности вещества с 4000 до 4600 кг/м3. Давление здесь возрастает до отметки 40 млрд Па (в 400 000 раз выше атмосферного). Глубже залегают слои нижней мантии, плотность вещества которой составляет в среднем порядка 5000 кг/м3, а температура равняется +3500 °C. В целом мантийное вещество насчитывает 65 % от массы всей планеты, остальное приходится преимущественно на вещество ядра. Земная кора составляет по массе менее 1 % от массы планеты.
Жидкое внешнее ядро, богатое кислородом и тяжелыми элементами, преимущественно опять-таки кремнием, начинается на глубине 2900 км. Здесь происходит под давлением 136 млрд Па скачок плотности вещества с 5700 до 9700 кг/м3. Температура на поверхности ядра равняется +4200 °C, а с глубиной повышается до +5500 °C. В области этих максимальных температур, соответствующих отметке глубин 4500 км, плотность вещества равняется 11,4 т/м3, а давление 320 млрд Па.
Глубже 5000 км залегает железоникелевое, твердое внутреннее ядро. На его поверхности происходит скачок плотности с 12,5 до 12,7 т/м3. Температура здесь достигает примерно +6000 °C. В железистом ядре находится центр планеты. Он расположен на глубине 6371 км, т. о., если бы человек имел возможность спуститься сюда по лестнице, то этот спуск занял бы около 2 месяцев. Эта область характеризуется следующими параметрами: давление 370 млрд Па (в 3,7 млн раз больше атмосферного), плотность вещества 13 т/м3, температура выше +610 °C, что много больше температуры на поверхности Солнца!
Когда люди столкнулись с проявлениями подземной стихии, мыслители и изобретатели попытались найти способы определить время начала землетрясения. В дальнейшем возникла потребность вычислить место его максимальной активности (эпицентр), силу толчков и направление их движения. Первыми попытались регистрировать признаки надвигающихся каменных штормов древние греки. Греческие геометры и философы предлагали различные способы для осуществления этой цели.
Бытует мнение, что греки даже разработали сейсмограф — прибор для регистрации колебаний почвы. Но никакими детальными сведениями об этом ученые не располагают. Достоверно можно утверждать лишь то, что греки прекрасно знали о способности многих животных улавливать сейсмические толчки. Античные хроники 323 г. до н. э. отмечают: «За несколько дней до землетрясения, разрушившего город Геликос, кроты, ласки, ехидны и сороконожки вышли из своих норок, обратившись в беспорядочное бегство».
Первый настоящий сейсмограф был сконструирован китайским астрономом Чжан Хэном 1870 лет назад, в 132 г. К сожалению, устройство не сохранилось до настоящего времени, однако китайские историки сумели реконструировать его облик по старинным летописям. Согласно традициям того времени, прибор был украшен скульптурными изображениями животных, причем эти скульптуры одновременно служили деталями конструкции. Предположительно фигурки изображали драконов и лягушат (жаб) или каких-то еще зверей.
Прибор выглядел следующим образом. Он был отлит из бронзы и представлял собой сосуд диаметром 2 м. Внутри сосуда располагался высокочувствительный маятник, реагировавший на подземные толчки на расстоянии до 600 км от места максимальной активности. Улавливая сейсмические колебания, маятник приходил в движение. Он был соединен специальными тягами, выполнявшими функцию опорных рычагов, с указателями сторон света и основных румбов. Всего сейсмограф содержал 8 указателей, определявших направление хода колебаний грунта.
Эти указатели соответствовали румбам: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад и северо-запад. В зависимости от направления толчков и, следовательно, от расположения эпицентра маятник начинал колебаться в определенной плоскости и посредством какой-то тяги приводил в движение нужный указатель. Последний, видимо, изготавливался в форме головы дракона, держащего в зубах металлический шарик. Головы были обращены в направлении 8 выбранных румбов. Если толчки приходили с северо-востока, то маятник заставлял двигаться драконью голову, обращенную на северо-восток.
Когда голова приводилась в движение, шарик выскальзывал из раскрывавшихся металлических челюстей дракона и падал в специальную небольшую чашу (тарелочку). Всего вокруг основания прибора на земле устанавливалось 8 чаш, по одной на каждую голову. Чаши были выполнены в форме лягушат с широко открытыми ртами. Таким образом, выпавший из драконьей пасти шарик попадал в рот восседавшего под указателем лягушонка. Астроном проверял, в какую чашу упал шарик, и тем самым узнавал о направлении сейсмических волн в грунте.
Одним из первых европейских сейсмографов был сейсмоскоп итальянского изобретателя Н. Кассиатори. Построенный в 1848 г., этот прибор принципиально не отличался по принципу действия и конструкции от сейсмографа Чжан Хэна. Устройство также было снабжено указателями направления толчков, только на этот раз его детали не были выполнены в виде зверей. В 1856 г. более совершенное устройство установили на Везувии. Сейсмограф измерял, помимо прочего, амплитуду волн и время толчка.
На протяжении 1890-х гг. впервые активно разрабатываются и создаются разные модели вертикального сейсмографа с инертной (инерционной) массой. Последняя представляет собой подвесной груз, слабо реагирующий на вертикальные толчки. Во время землетрясения корпус сейсмографа колебался, тогда как сама инерционная масса оставалась почти неподвижной. Ее положение относительно колеблющегося корпуса отмечалось самописцем на угольной ленте. Таким способом ученые получали диаграмму землетрясения.
Устройства такого рода, изготовленные в 1890-х гг., являются настоящими сейсмографами, тогда как приборы Чжан Хэна и Кассиатори в действительности представляют собой сейсмоскопы. Название сейсмографа в переводе с греческого означает «пишущий сотрясения земли», а сейсмоскоп — «видящий сотрясения земли». В популярной литературе оба вида приборов принято называть сейсмографами. Посредством новых сейсмографов были получены ценные данные о характеристиках разных катастроф — землетрясении 1894 г. в Японии, подземных катаклизмах 1897 г. в Индии и т. д.
Конструкция сейсмометра была затем существенно усовершенствована в 1900-х гг. академиком Б. Б. Голициным, который заложил основы современной сейсмологии. Он же первым понял, что сейсмические толчки как бы простукивают планету насквозь и помогают тем самым заглянуть в ее недра. Землетрясения Голицин сравнил с ярким лучом фонаря, высвечивающим глубинное строение Земли.
Приборами нового образца с 1920-х гг. оснащаются сейсмические станции, которые открываются по всему миру. Очередной значительный прорыв сейсмологии произошел в начале 1960-х гг. В 1960 г. разбросанные по разным уголкам планеты сейсмостанции были объединены во Всемирную эталонную сейсмографическую сеть, которая стала работать по одному временному графику и пользоваться определенными техническими стандартами. Это позволило успешно обобщать данные сотен измерений.
В 1962 г. впервые высокочувствительные сейсмографы были испытаны в районах, где отсутствует опасность землетрясений. Ученые хотели узнать, насколько серьезны подвижки земной коры, приводящие к катастрофам. Измерения проводились в европейской части России, главным образом в Поволжье. Оказалось, что ничтожно малые подвижки блоков коры все же создают порядочный фон малых колебаний, т. н. фон микросейсм.
