1 year ago
No comment

Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

В середине XVIII века гениальный русский ученый М. В. Ломоносов в сочинении «О слоях земных» писал:

«Начиная по порядку сие дело, за необходимость по­читаю описать кратко… самый верхний слой, как по­крышку всех протчих, то есть самую земную наружность. Ибо она есть часть нижних, и по смежеству много от них заимствует, уделяя им и от себя взаимно».

В этих замечательных словах Ломоносов отра­зил глубокое понимание той связи, которая существует между формой, внешней оболочкой Земли, ее развитием и внутренним строением. В настоящее время мы не сом­неваемся в том, что формирование внешней оболочки происходило на всем протяжении развития Земли и что земная кора представляет собой продукт физико-химиче­ских процессов, протекавших и продолжающих протекать в глубоких недрах нашей планеты.

Важность познания внутреннего строения Земли опре­деляется тем, что с этой проблемой связаны вопросы раз­вития самой внешней из оболочек земного шара — коры. Знать же, как развивается земная кора, необходимо для прогноза размещения месторождений полезных ископае­мых, прогноза землетрясений, для изучения медленных движений земной коры, которые оказывают большое влияние на практическую деятельность человека, нако­нец, и в познавательных целях — для формирования ма­териалистического мировоззрения и создания общей гео­логической теории.

Однако геологические приемы исследования сами по себе не позволяют изучать глубинное строение земной коры и дают возможность делать только косвенные выводы. Внутреннее строение Земли изучает геофизика, основными частями которой являются: гравиметрия и теория фигуры Земли, сейсмология и сейсмометрия, гео­термика, учение о земном магнетизме, физика Земли.

Геологи имеют возможность изучать земную кору или самую верхнюю твердую оболочку Земли на материках всего на глубину около 15—20 км. Самые глубокие сква­жины проникли в толщу земной коры на 9 кма шахты — на 3 кмНекоторую информацию о том, что находится еще глубже, дают нам вулканы или уже застывшие мас­сы вулканических пород, заполняющие цилиндрические полости подземных взрывов. Все, что мы знаем о еще бо­лее глубоких земных недрах, об их строении, свойствах и процессах, происходящих там, получено не путем пря­мых наблюдений, а при помощи геофизических приборов, регистрирующих явления, наблюдаемые на земной по­верхности (В самое последнее время частично со спутников и космических кораблей).

До этого соображения о глубинах базировались на космогонических представлениях и на некоторых допу­щениях, заимствованных у астрономов.

Большинство выводов о земных недрах было сделано в течение последних 30—40 лет — времени становления современной геофизики. В значительной мере они носят и до сих пор гипотетический характер. Трудности усугуб­ляются еще тем, что лабораторные опыты пока не в со­стоянии воспроизводить те температуры и давления, которые господствуют в глубинах Земли, а следователь­но, определять вероятное состояние вещества и его фи­зические свойства в условиях земных недр. По мере увеличения глубин становятся все более неопределенны­ми оценки температуры, состава и свойств земных глу­бин.

Одним из главных методов познания строения Земли явилось изучение упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах.

Подобно тому как от источника света во все стороны распространяются лучи, точно так же от места взрыва или центра землетрясений как бы по лучам идут колеба­ния, носящие название сейсмических волн. Существуют два основных типа волн — продольные Р и поперечные S.

Продольные волны представляют собой распростра­няющиеся в твердом теле последовательные сжатия и разряжения, при которых частицы колеблются в направ­лении распространения волны. Поперечные волны — это деформации, при которых основное колебание частиц в теле Земли происходит перпендикулярно направлению распространения волны. Упругие колебания приходят на сейсмические станции, которые записывают их при по­мощи сейсмографов. При этом фиксируются не только прямые волны, идущие непосредственно от очага земле­трясения или места взрыва, но и волны, испытавшие преломления или отражения на внутренних границах, которые разделяют горные породы или вещество, обла­дающее различными свойствами или различным со­ставом.

Если бы Земля была однородным телом, то сейсмиче­ские волны распространялись бы прямолинейно и с оди­наковой скоростью. Изучение скоростей распростране­ния различных волн в Земле показало, что она состоит из ряда концентрических зон, имеющих различную плот­ность.

Геофизики полагают, что земная кора имеет как бы трехслойное строение. Верхний слой состоит из осадоч­ных напластований; ниже идет слой, близкий по свойст­вам и составу к граниту, а еще ниже залегают тяжелые темные породы, отвечающие по своим свойствам, а воз­можно, и по составу, базальтам.

Затем скорость про­дольной волны скачкооб­разно возрастает, вероят­но, в связи с довольно резко изменяющимися свойствами лежащих ни­же пород, и начинается слой, который носит на­звание «мантия».

Переходная граница, вернее, поверхность раз­дела, впервые была де­тально изучена югослав­ским профессором А. Мохоровичичем, именем ко­торого она названа.

Профессор А. Мохоровичич

Профессор А. Мохоровичич

Любопытна история этого открытия. 8 октября 1909 г. сильное землетрясение, начавшееся в долине реки Куль-па в Кроатии (Югославия), потрясло эту маленькую страну, а распространившиеся волны были зарегистриро­ваны многими сейсмологическими станциями по всей Европе. Были отмечены две группы Р и S волн, которые приписывались двум разным сотрясениям. Сравнивая данные, записанные станциями, расположенными на раз­ных расстояниях от очага землетрясения, А. Мохоровичич заметил неувязки во времени прибытия двух продольных волн (сжатия), за которыми через должный промежуток следовали соответствующие поперечные волны сдвига. На расстояниях меньше 150 км от эпицентра первая груп­па Р- и S-волн дала очень сильное сотрясение, а вторая группа была уже значительно слабее. Однако на боль­ших расстояниях положение было обратным, и за оказав­шими слабое действие первыми Р- и S-волнами, через значительный интервал следовали сильные Р- и S-волны. Единственный возможный путь объяснения этих явле­ний заключается в предположении, что в Кроатии имел место только один толчок, но что сейсмические волны, распространившиеся из центра нарушения, могли пойти двумя разными путями.

Волна, идущая по длинному пути, доходит до сейсмической станции скорее в силу большей плотности пород

Волна, идущая по длинному пути, доходит до сейсмической станции скорее в силу большей плотности пород

А. Мохоровичич сделал допущение, что на некоторой глубине под поверхностью Земли присутствуют породы, сквозь которые сейсмические волны могут проходить го­раздо быстрее, чем сквозь породы верхних слоев земной коры. Таким образом, волны землетрясения, вместо того чтобы идти прямо к следующей станции, проходят сквозь более глубокие слои Земли и доходят до нее скорее.

Он высчитал, что эта «дорога землетрясений» распо­ложена приблизительно на глубине 50 км и что сейсми­ческие волны, достигая данной глубины, проходят в два раза скорее, чем волны, распространяющиеся вблизи поверхности. Учитывая большую скорость волн земле­трясения в тяжелых породах, Мохоровичич пришел к за­ключению, что ниже этой глубины материал земного шара должен быть гораздо плотнее, чем гранит и ба­зальт, образующие его внешнюю кору.

В результате дальнейших исследований было дока­зано, что граница между более легкой внешней корой и тяжелой внутренней областью, обычно называемой ман­тией, распространена вокруг всей Земли. Однако в то время как на континентах поверхность Мохоровичича находится на средней глубине 35 км ниже уровня моря, на дне глубоководной части океана, где кора гораздо тоньше, граница между корой и мантией находится всего на глубине 5—8 км ниже поверхности дна.

Именно на основе изучения упругих волн Землю де­лят на кору, верхнюю и нижнюю мантию и внешнее и внутреннее ядро. Граница Мохоровичича между корой и мантией отвечает изменению скорости продольных волн скачком до величины 8,1—8,2 км/сек. Над этой границей скорость равняется 6—7 км/сек.

Границы раздела внутри Земли могут быть вызваны или изменениями химического состава земных недр или фазовыми переходами данного вещества в более плотное состояние. Обычно полагают, что мантия состоит из ультраосновных пород, содержащих много железа, маг­ния, но обедненных кремнекислотой.

Все геофизики сходятся на том, что внешнее ядро на­ходится в жидком состоянии, так как не пропускает по­перечные волны. Внутреннее ядро многие считают твер­дым, но прямых доказательств этого не имеется. Широко распространено мнение, что все ядро состоит в основном из сплава железа и никеля. Структура континентальной и океанической коры сильно различается. В частности, под океаническим дном отсутствует гранитный материал, а базальтовый слой значительно тоньше.

Во многих океанических областях глубина границы Мохоровичича под дном океана меньше 10 кмДля боль­шинства континентов ее глубина увеличивается с увеличением расстояния от побережья и под высокими горами может достигать более 50 кмобразуя «корни гор».

Все возрастающее количество свидетельств о сущест­вовании под земной корой слоя с пониженной скоростью прохождения сейсмических волн на глубине между 100— 250 км подкрепляет выдвинутое более полувека назад предположение о слое астеносферы или верхней части мантии, где вязкость пород и сопротивление пластическо­му течению имеют наименьшее значение. Астеносфера, следовательно, является главным местоположением про­цессов, вызывающих движения протяженных участков земной коры относительно мантии. Сюда входят горизон­тальные движения крупных блоков земной коры относи­тельно друг друга и вертикальные движения в коре.

Часто в науке поднимался вопрос, выходят ли вулка­ны из протяженных, глубоко расположенных в верхних слоях Земли расплавленных участков, или они сообща­ются с относительно небольшими очагами магмы. Тесная связь поясов землетрясений с очагами на глубинах приб­лизительно между 60 и 200 кмс одной стороны, и поясов действующих вулканов — с другой, подтверждает гипо­тезу о том, что по крайней мере в некоторых местах на этом критическом интервале глубин породы могут быть расплавленными.

На больших глубинах горные пароды, помимо влия­ния высокой температуры, подвержены также влиянию больших давлений. Комбинация высоких температур и больших давлений может привести вещество в необычай­ное физическое состояние, при котором сочетаются свой­ства жидких и твердых тел. Это вещество будет реагиро­вать как упругое твердое тело на воздействие мощных внешних сил, длящееся относительно короткое время. Но оно будет вести себя как жидкое вещество под влиянием гораздо более слабых воздействий, но длящихся в тече­ние очень большого периода времени. Этим свойством, на­зываемым пластичностью, обладают также некоторые обычные материалы, например сургуч.

Очевидно, что свойством пластичности обладают и горячие, сильно сжатые породы, образующие мантию Земли. Они действуют в качестве пружинных матрацев для покоящихся на них огромных континентов и на про­тяжении миллионов лет то прогибаются, то вспучиваются, приспособляясь к лежащему на них грузу.

С другой стороны, материал мантии реагирует слиш­ком медленно по отношению к быстро меняющемуся влиянию волн землетрясения и ведет себя как пластиче­ское твердое тело. В свете этих данных становится по­нятным, почему ученых теперь особенно интересует верхняя часть мантии, лежащая под земной карой.

Вопрос о природе верхней части мантии, о ее составе и о ее роли в образовании земной коры относится к чис­лу важнейших. Дальнейшее серьезное продвижение в решении ряда проблем, таких, как происхождение конти­нентов и океанов, причины движения земной коры и раз­вития горных цепей, магматизма и вулканизма, проблемы рудообразования, происхождение и прогноз землетрясе­ний, невозможно без исследовательского проникновения в глубокие части земной коры и в подкорковую среду. Ведь основные источники тектонической энергии и магмы сосредоточены в верхней мантии Земли. Из нее поднима­ются вместе с магмой вещества, формирующие залежи многих видов полезных ископаемых. Именно верхние части мантии и земная кора являются той переходной зо­ной, которая отделяет высоконасыщенные тепловой энер­гией недра. Земли от земной поверхности.

Все эти соображения привели к возникновению плана обширного цикла исследований геофизического, геохими­ческого и геологического характера, плана широкого научного наступления на нижние части земной коры и на верхние части мантии Земли. Этот план известен под наз­ванием «Верхняя мантия и ее влияние на развитие зем­ной коры» («Проект верхней мантии»). Он был одобрен летом 1960 г. на XII Ассамблее Международного геодези­ческого и геофизического союза.

Но особенно важно получить прямые данные о соста­ве верхней мантии. А это можно сделать только путем сверхглубокого бурения. Такое бурение уже запроекти­ровано, и предварительные его стадии осуществляются инженерами и учеными США на море. На море потому, что там значительно легче можно достичь глубинного слоя, лежащего в основании земной коры. Американские инженеры считают, что овладение техникой бурения с барж, плавающих на море, само по себе уже оправдывает затраты на такое дело. Ведь это даст им возможность разбуривать морское дно на глубинах в тысячи метров от поверхности океана и извлекать из его недр нефть.

Разрез через остров Пуэрто-Рико по геофизическим данным...

Разрез через остров Пуэрто-Рико по геофизическим данным…

Ввиду трудности для людей, говорящих на англий­ском языке, произносить иностранные имена поверх­ность Мохоровичича в США называется просто Мохо (Moho), а слово Мохол сокращенное от Moho-hole (сква­жина Мохо) означает название проекта пробуривания скважины для достижения мантии.

Идея о бурении дна глубокого моря родилась летом 1952 г. в Управлении морских исследований в Вашингто­не, а затем она претворилась в проект под руководством Национальной Академии наук и Национального исследо­вательского совета. Огромную техническую помощь ока­зывали различные нефтяные компании, имеющие боль­шой опыт бурения морского дна, по крайней мере в мел­кой воде. В 1961 г. был опубликован отчет, озаглавлен­ный «Экспериментальное бурение в глубокой воде в Ла Холла, Гваделупа». В нем сказано, что в апреле 1961 г. первый в мире опыт океанического бурения был закон­чен. Потребовалось два года планирования и подготовки, в результате которых теоретическое изучение и модели бурильной баржи превратились в рабочий проект. Затем последовала закупка оборудования, перестройка судна и наконец глубоководные операции.

Буровая баржа CUSS-1 была переоборудована на Ка­лифорнийской верфи в Сан Диего, и в марте у Ла Холла начались первые опыты. При глубине воды 948 м в дне моря были пробурены пять скважин до максимальной глубины 315 мВскоре после того судно было отведе­но на 70 км к востоку от Гваделупы для первого бурения в подлинно океанической обстановке. При глубине воды 3560 м баржа держалась над скважиной буями на туго натянутых кабелях, с помощью сонара () и радара и ма­неврировала, имея для этого три подвесных мотора. Бо­лее или менее цельные колонки (керны) вынимались ка­натным методом через буровые трубы. Было пробурено пять скважин до максимальной глубины 183 мВерхние 170 м состояли из миоценового ила; ниже бур прошел сквозь 14 м базальта. Судно оставило место бурения 12 апреля 1961 г.

Этот опыт показал, что почти всякая буровая опера­ция, проведенная в скважине на Земле, может быть проделана и в глубоком море, если нет необходимости менять головку бура.

В настоящее время в США идет подготовка к третье­му, решающему этапу бурения. Возможно, оно будет осу­ществлено где-либо в Мексиканском заливе.

У нас в СССР тоже ведется подготовка к сверхглу­бокому бурению.

Несомненно, что бурение через толщу воды в районах океанических впадин позволит легче достигнуть мантии, чем такое же бурение на материке. Ведь под дном океана она лежит на глубинах всего в несколько километров. Однако в районах нашего побережья Тихого океана та­кое бурение выгоднее производить с одного из океаниче­ских вулканических островов в Курильской гряде или на Южном Сахалине, где, по предварительным, данным, мантия залегает на глубине всего около 10 кмГеофизики называют остров Кунашир — один из самых южных в пределах Курильской гряды островов.

Южная часть Курильской гряды и Южный Сахалин являются, по-видимому, пока единственным местом в СССР, где поверхность Мохоровичича может быть вскры­та при помощи современных буровых агрегатов, поэтому данный район крайне интересен для осуществления сверхглубокого бурения. Остров Кунашир имеет вулка­ническое происхождение. Здесь мощность вулканогенных накоплений достигает 3—4 км. Под молодыми вулканогенными породами по аналогии с районами Японии, по-видимому, должны находиться сильно смятые мезозой­ские и палеозойские осадочные породы мощностью не менее 5—6 км. Гранитный слой, возможно, отсутствует вовсе, либо имеет мощность такую же, как на Японских островах, т. е. в пределах 1—2 км.

Проходка скважин на острове Кунашир или на Юж­ном Сахалине сопряжена с многими трудностями: уда­ленностью, сложностью транспортировки тяжелого обо­рудования и т. д., а также и тем, что в молодой вулкани­ческой области геотермический градиент, по всей вероят­ности, будет расти очень быстро. При этом не исключено, что уже на глубине в 100 м температура может превы­сить 100°С, как это имеет место в ряде вулканических районов Камчатки и Японских островов.

В ближайшее время геофизики и геологи проведут дополнительные исследования на Сахалине и в районе островов Курильской гряды, чтобы уточнить места зало­жения сверхглубоких скважин.

Однако этим далеко не исчерпываются исследования глубин Земли, запроектированные в СССР. Они будут направлены главным образом на изучение строения Евразийского материка. Целым рядом сверхглубоких скважин предполагается осветить строение геологически отличных друг от друга районов, представляющих от­дельные типы строения разного геологического возраста. В совокупности получится сводный разрез земной коры на всю ее мощность в условиях нашего континента.

Особенно важные научные и практические результаты, вероятно, дадут сверхглубокие скважины на древних щитах (Кольский полуостров), активизированных более молодыми тектоническими и магматическими процесса­ми, и в пределах древних, активизированных плит (Алданская плита). Именно последние представляют тот новый, третий тип основных структур земной коры кон­тинентов, где платформенные образования сочетаются с омолаживающими их мощными разломами, служившими путями проникновения расплавленных магматических масс. А с остыванием магмы здесь связаны крупные мес­торождения полезных ископаемых мезозойского возраста.

Геологи, хорошо изучившие три основные формы строения континентов, не смогли объяснить причины их возникновения, так как они связаны с глубинами, не­доступными прямым наблюдениям.

Геофизики считают, что геосинклинальные движения и активизация платформ вызваны глубинными процес­сами, периодически происходящими в земной оболочке (мантии) на глубинах 600—700 км и связанными с выде­лением огромных количеств энергии. Эти процессы сопро­вождаются разделением вещества Земли, приводящим к обеднению мантии кремнекислотой, окисью алюминия, щелочными металлами и выносу их наверх — в земную кору. Иначе говоря, все это результат эволюции веще­ства земной оболочки, сопровождаемой выделением энер­гии и изменением состава земной коры в определенном ее участке.

В ближайшие годы мы несомненно будем свидетеля­ми мощного наступления на недра Земли примерно тако­го же, как проникновение человека в космос. И это наступление, давая нам ключ к познанию глубин Земли, неизмеримо увеличит наши ресурсы полезных ископае­мых.