К известному немецкому естествоиспытателю Александру Гумбольдту однажды явился какой-то капитан с совершенно необычным заявлением. Вблизи Северного полюса, утверждал он, находится вход в необъятную пещеру, ведущую в глубинные недра Земли... Не известно, знал пи об этом сообщении Жюль Верн. Однако в «Путешествии к центру Земли» его герои проникают в глубь планеты, воспользовавшись кратером потухшего вулкана. Великий фантаст так представлял себе единственно возможный способ познания глубин Земли. Увы, он оказался недейственным...
Человеческая мысль уже давно пытается разгадать, из какого «материала» сложены глубины нашего общего дома — Земли. На крохах косвенных данных строились смелые и остроумные гипотезы еще в XVIII—XIX веках.
Основная сила, формирующая лик Земли, — море, действие воды. Так утверждали ученые-нептунисты (по имени древнеримского бога морей Нептуна). Эта школа возникла в XVIII веке в Германии. Нет, отвечали им геологи-плутонисты, подземный огонь — вот главная причина всех земных явлений. В XIX веке в научный бой двух лагерей вступили контракционисты (от латинского contractio — сжатие.) На вопрос, как рождаются горы, они отвечали: представьте себе сохнущее яблоко, оно морщится образуются складки. Нечто подобное происходит с земным шаром, который, постепенно охлаждаясь, сжимается в складки-горы, покрывается трещинами.
В спор включились ученые, которых волновали вопросы — как возникли материки, что такое океаны — просто ли «суша», залитая водой? И откуда взялась эта вода? И движутся ли континенты Земли?
На эти вопросы пытался ответить знаменитый немецкий геофизик Вегенер (Подрuбнее о гипотезе Вегенера см. «Вокруг света». 1962. No 12. статью Г. Голубева.), выдвинувший в начале XX века смелую и оригинальную теорию о дрейфе континентов. Споры между сторонниками Вегенера — мобилистами, как их называют сегодня, — и его противниками — фиксистами, утверждающими, что материки навечно «заякорены» — зафиксированы на своих местах, — не затихли и в наши дни.
К середине XX века многочисленные «почему» переплелись в сложный узел всевозможных догадок. А как их проверить?
Лишь четырех километров достигли самые глубокие шахты, меньше восьми имеют самые глубокие скважины. Это «дно», которого достигли механические руки человека. Дальше... А что же дальше?
Волны-путешественницы
Но, оказывается, «транспорт» для путешествия в глубь Земли все же у человека имеется. Но он несколько необычен. Вот один из его видов.
За последние полвека окрепла новая наука — сейсмология. От очага землетрясений во все стороны разбегаются упругие волны. Проходят они и через глубинные области нашей планеты. Там они могут отражаться от слоев земного вещества или преломляться в нем. Сейсмограф записывает их изменения, и ученые как бы слышат дыхание нашей планеты — подземные толчки и землетрясения.
Выдающийся русский геофизик Б.Б. Голицын писал: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, помогая тем самым рассмотреть то, что там происходит».
Идеи Голицына и других геофизиков-сейсмологов оказались очень плодотворными и помогли получить первые «рентгеновские снимки» земного шара. А нельзя ли и самим вызывать небольшие искусственные землетрясения — взрывы, на которые будут отвечать недра? Так родился метод глубинного сейсмического зондирования, помогающий прослушивать тело Земли до 100 километров в глубину.
Граница тайны
О чем же поведали волны-путешественницы? В 1909 году сербский сейсмолог А. Мохоровичич изучал записи землетрясения, случившегося в Кроатии. При расшифровке сейсмограммы внимание ученого привлек тот факт, что на определенной глубине сейсмические волны вдруг резко, скачком увеличили скорость. Так была открыта граница, получившая впоследствии название раздела Мохоровичича (сокращенно — раздел Мохо). Ученые стали прослушивать ее повсюду на земном шаре. Оказалось, что она проходит не везде одинаково: под материками — в среднем на глубине 35—40 километров, в горных районах — снижаясь даже до 70. Когда же «заглянули» под дно океанов, выяснилось, что там до нее, как говорится, рукой подать — около 6 километров. Раздел Мохоровичича — это нижняя граница своеобразного чехла на теле нашей планеты — земной коры. Одно время думали, что кора на материках ничем принципиально не отличается от коры океанов. Волны-путешественницы поведали, что это не так. В океанах самая верхняя «пленка» Земли состоит из одного тонкого слоя тяжелого базальта. Материковая же кора двухслойная: более легкий гранитный слой лежит на базальте. Гранитный слой в океанах пропал... Здесь начинаются «почему».
Для ответа на них надо знать, как сейчас Земля меняет свою «кожу», как происходит обновление ее коры, ведь в нее поступают все новые и новые вещества из недр. Из тех глубин, в которых сейсмические волны, прорвавшись сквозь слои земной коры, вдруг так заспешили.
Там нет покоя
Волны проникли на таинственный «второй этаж», если считать с поверхности Земли, нашей планеты, в очень толстую оболочку, которой геофизики дали торжественно-гардеробное название — мантия. Действительно, это «одежда», укутывающая земное ядро. Она простирается до глубин в 2900 километров. Верхний ее слой, толща в тысячу километров, зовется верхней мантией.
Это наиболее «беспокойная» область земного шара. Именно здесь зарождаются процессы, которые приводят в движение земную кору, поднимают и опускают материки. Именно в этой гигантской подземной мастерской скрывается главная кухня землетрясений и вулканов.
Считается, что глубинные породы образованы из более упругого, более тяжелого материала, чем поверхностные слои Земли. Ведь волны путешествуют здесь со значительно большей скоростью. Некоторые ученые предполагают, что «верхушка» мантии, как и кора, сложена из базальтов, но с очень плотной «упаковкой» атомов. Есть и другая гипотеза: подкоровое вещество состоит из гораздо более тяжелых и более богатых металлами пород.
А дальше опять одни «почему».
Что происходит далеко под базальтом, там, где, как предполагают, температура измеряется тысячами градусов, а давление — сотнями тысяч, а возможно, и миллионами атмосфер? Если бы узнать, как ведет себя вещество при таких условиях в этом естественном «атомном котле» — твердое оно, или жидкое, или газообразное? А быть может, оно отличается от всех известных нам «на поверхности» состояний? Ведь под действием колоссальных давлений в глубинах планеты происходят, возможно, деформация и разрушение электронных оболочек атомов. «Расплющенный» атом... не будет ли он тем незнакомцем, который поможет открыть ученым новые законы природы, например новое состояние вещества или новый вид энергии, обусловленный сжатием, деформацией «кирпичиков» вещества — атомов?
Клады, ждущие исследователя
Изучить силы, которые бушуют в неизведанных глубинах, важно для многих практических целей. Только один вулкан за несколько часов извержения расточает энергию, равную годовой работе десятков мощнейших электростанций. Вырвавшийся на свободу поток содержит в 1 кубическом километре вещества такой же тепловой «заряд», как 50 миллионов тонн нефти. Можно представить себе, что получит человечество, если сумеет обуздать эту мощную подземную «кочегарку».
Именно в верхней мантии возникли и продолжают оттуда поступать к нам «наверх» полезные ископаемые. Зная, в каких условиях совершается их «рождение», как магматическая деятельность «фабрикует» разные минералы, мы сможем понять закономерности образования и размещения подземных богатств, улучшать методы геологической разведки и прогноза.
Как смотрят сквозь землю
Геофизики изыскивают все новые способы, чтобы «заглянуть» в глубину Земли. Кроме сейсмических волн, появляются все новые и новые виды «транспорта» — например, такое «электрифицированное средство сообщения», как магнитное поле Земли. Известно, что электрические и магнитные явления тесно связаны друг с другом. Исследуя земной магнетизм, геомагнитологи получают возможность судить и об электрических явлениях на глубинах, а в конечном счете о физических и химических свойствах пород, по которым течет электрический ток.
Земля, как естественный «генератор», порождает также земные (теллурические) токи, идущие по поверхности нашей планеты. Используя одновременные записи земных токов и магнитного поля, можно провести и мировую глубинную электромагнитную съемку, которая, несомненно, даст много новых данных о «режиме» второго этажа — мантии. Например, магнитно-теллурическое зондирование помогло обнаружить недавно слой высокой проводимости под Японией на глубинах 100—200 километров.
Помогают познанию внутреннего строения Земли и космические спутники. Дело в том, что в магнитном поле планеты существуют аномалии. Часть из них порождают крупные залежи железной руды. Но происхождение и даже точное местонахождение остальных так называемых нерудных аномалий до последнего времени было неизвестно. Но вот поднялся над планетой третий советский спутник. Оказалось, что с расстояний в сотни и тысячи километров «виднее», насколько глубоко уходят источники аномалий. Магнитометр, установленный на спутнике, сообщил, что они находятся не в земной коре, как предполагали раньше, а значительно глубже, скорее всего в ядре нашей планеты.
Каждый день по всем морям и океанам прокатываются огромные волны прилива. Они тоже смогут помочь трудному путешествию. Ученые давно уже выяснили, что виновником приливов является наша ближайшая небесная соседка Луна и отчасти Солнце. Естественно, что притяжение небесных тел воздействует не только на воду, но и на кору и на само ядро Земли. Может быть, для некоторых москвичей будет неожиданным сообщение о том, что дважды а сутки вместе с домами, почвой они плавно поднимаются и опускаются на 40 сантиметров. Конечно, силы сцепления в твердых породах куда сильнее, чем в жидкостях, поэтому земные приливы измеряются лишь сантиметрами.
Ученые-гравиметристы, которые берут под тщательный контроль поднятия и опускания земной коры, заметили, что высота приливной сухопутной волны бывает разная. Так, в Центральной Азии она составляет лишь 30 сантиметров, то есть на целых 10 сантиметров меньше, чем в Европе. Чем это объяснить? Приливы деформируют всю Землю целиком. Поэтому те «взлеты и падения», которые совершает ее поверхность, определяются строением планеты, неоднородностью глубинных масс мантии. 10 сантиметров разницы показывают, что жители Центральной Азии ходят по более жесткой и твердой Земле, чем европейцы.
Земной шар в лаборатории
Казалось бы, человек никогда не увидит воочию, как слои земной коры сминаются в складки, как образуются горы. Ведь процессы горообразования длятся сотни тысяч и миллионы лет.
Здесь уже, казалось бы, ничто не может помочь. Ведь путешествовать во времени мы еще не научились...
Так ли? А что, если попытаться воспроизвести эти процессы в лаборатории? Ведь современная физика позволяет получать огромные давления и температуры, соответствующие внутриземным. И вот появляются «горы» на лабораторном столе. Их высота всего несколько сантиметров, и «сделаны» они из специальных очень пластичных материалов. Ученые создают давление, имитирующее земное, и наблюдают убыстренную в миллионы раз картину того, что происходит с земной корой.
Интересные опыты по сейсмическому моделированию глубинных участков Земли были проведены в Институте физики Земли имени О.Ю. Шмидта. Проверялись две гипотезы о строении верхней мантии. Дело в том, что глубже границы Мохоровичича скорость сейсмических волн сначала растет, а потом падает. Видимо, на глубине 100—150 километров расположен мощный слой более вязких пород.
«Пояс размягчения» играет в жизни глубин, видимо, важную роль. Может быть, именно здесь выплавляются породы, которые затем, поднимаясь, образуют земную кору. Впервые заметил существование этого слоя известный американский геофизик Б. Гутенберг.
Однако с гипотезой Гутенберга не согласился английский ученый Г. Джефрис. Он построил схему, по которой зона пониженных скоростей отсутствует и скорость сейсмических волн с глубиной непрерывно возрастает. Кто прав? Советские ученые решили проверить обе гипотезы на особых моделях Земли. В них источником колебаний, имитирующим землетрясения или взрывы, служили пьезоэлектрические элементы. Оказалось, что правильна гипотеза Гутенберга.
Вести со дна океана
Пришли на помощь «глубинникам» и океанологи. В последние шесть-семь лет человек принялся за основательное исследование океанского дна. Корабли многих стран бороздят месяц за месяцем, год за годом просторы всех пяти океанов планеты. За это время много узнали ученые такого, что перевернуло прежние представления. Оказалось, например, что не гладкая равнина простирается под толщей океанских вод, а громоздятся сложные системы хребтов, возвышенностей, впадин....
Одна из самых невероятных новостей, полученных океанологами с морского дна, имела ближайшее отношение к их коллегам-ученым, занятым изучением проблем земной «преисподней».
Оказалось, что по дну Атлантики — от Исландии до крайнего юга тянется одна из самых грандиозных горных цепей мира. Словно какой-то гигант пытался отгородить Америку от Европы, возвел колоссальную стену, да так и не завершил свою работу. По мнению ученых, эта обширная горная страна возникла в результате процессов, происходивших в глубинах Земли.
О том, что глубинные силы проявляют здесь повышенную активность, «сигнализируют» многочисленные «местные» землетрясения и вулканы. Как выяснилось, дно океанов вообще чувствительней к глубинному пульсу Земли, чем материки. Так, по подсчетам американского ученого Менарда, только за последний из геологических периодов — четвертичный — на дно океанов изливалось вулканической лавы больше, чем на суше за всю известную ученым геологическую историю Земли.
А когда геотермики измерили тепловой поток, идущий из глубин к поверхности Средне-Атлантического вала, оказалось, что земные недра выделяют здесь во много раз больше тепла, чем обычно на океанском дне.
В породах, находящихся под ним, ученые обнаружили конвекционный поток, поднимающийся здесь из глубин; перед тем как подойти к поверхности морского дна, он разветвляется на западное и восточное течения.
Более того, были получены данные о том, что тонкое дно океана в этом месте постоянно испытывает воздействие растягивающих сил. Океанологи открыли в средней части подводного вала узкий и обрывистый, с крутыми срезами разлом глубиной около 1000 метров и шириной до 30 километров. Необычайная протяженность разлома — он тянется по всему хребту — показывает, что это не случайное явление. Может быть, этот рифт — так геологи называют подобные разломы — результат активности глубинных сил, разрывающих здесь земную кору?
Так получила некоторые косвенные подтверждения гипотеза современного голландского геофизика Венинг-Мейнеса о том, что восходящие подкоровые течения отрывают одни материковые глыбы от других, между ними и образуются океаны...
Главная дорога
Однако из всех путей в глубины самый прямой и самый многообещающий — это скважины. Эх, если бы только потрогать кусочек породы мантии, поскоблить, взглянуть одним глазом! Ведь он расскажет о многих загадках глубин. Первый керн взятый с мантии можно сравнить с образцом из другого мира. Но как добраться до него не мысленно, а реально, и исполнить заветную мечту охотников за подземными секретами — многих геологов, геофизиков, геохимиков?
Еще в 1957 году Международный геодезический и; геофизический союз (МГГС) принял резолюцию, рекомендующую проектирование сверхглубоких буровых скважин. Просверлить «кожный покров» Земли — ее кору и достичь неведомого мира — задача, которая все настоятельнее выдвигается наукой.
В 1960 году на Ассамблее МГГС в Хельсинки по инициативе советских геофизиков была принята международная программа исследований глубоких недр земного шара — «Проект верхней мантии», предусматривающий координацию усилий ученых многих стран. А летом 1963 года в Беркли (США) создан Международный комитет для осуществления этого проекта. Председателем комитета избран советский ученый В.В. Белоусов. Развертывается широкое научное наступление: сейсмические, геомагнитные и гравиметрические исследования, изучение движений и деформаций земной коры, организация автоматических сейсмических станций на дне океанов, исследование вулканических очагов, наблюдения за потоком тепла, идущим из глубин Земли, лабораторные исследования свойств горных пород и минералов в условиях высоких давлений и температур, моделирование и многое другое.
А главное — это сверхглубокое бурение и непосредственное проникновение к мантии. Разработан американский проект Мохол. Ученые и инженеры США готовятся бурить скважину в океане. Будет выбран один из трех районов: вблизи Пуэрто-Рико, возле острова Антигуа или неподалеку от Гавайских островов. Первая пробная попытка достигнуть подкорового слоя в Тихом океане, недалеко от побережья Южной Калифорнии, оказалась неудачной. Была пройдена толща воды в три с половиной километра, слой осадков (167 метров) и взят керн базальта с глубины 13 метров. Бурение пришлось прекратить из-за вертикальных колебаний бурового станка, вызванных волнением океана. Чтобы избежать этого, предполагается бурить земную кору с затопленной платформы, которая будет поддерживаться подводными лодками на некоторой глубине под поверхностью воды.
В нашей стране намечено пять районов, где предполагается заложить скважины глубиной в 15—18 километров: Карелия, Прикаспийская впадина, Урал, Азербайджан, южная часть Курильской гряды. Они откроют тайну «базальтового» слоя земной коры. Ведь его тоже никто «не касался рукой». Кроме того, будет вскрыта граница между гранитным и базальтовым слоями. Таким образом, американский проект нацелен на изучение океанической коры, а советские ученые стремятся воссоздать всестороннюю картину глубинного строения континентальной коры. Оба проекта, дополняя друг друга, принесут исключительно важные данные для наук, изучающих Землю. Известно, что на территории СССР, на одном из Курильских островов, есть место, где скважина, по-видимому, сможет пронизать всю земную кору. Так что и советские ученые, вероятно, проникнут к самой мантии, да еще в таком интересном месте, как переходная зона от суши к океану.
Только комплексное всестороннее наступление ученых на таинственный мир, лежащий под нашими ногами, позволит подойти к решению проблемы взаимодействия земной коры и верхней мантии.
Итак, путешествие в глубь Земли начинается.
Путешествие, полное романтики неизведанного. Путешествие трудное, увлекательное и захватывающее. Путешествие, которое раскроет нам многие тайны нашей планеты.
А. Подольский
