Дорога в недра

Дорога в недра

В далекое прошлое отступили те времена, когда люди, заслышав грохот огнедышащих гор, в страхе приносили жертвы великому Вулкану, моля могучего бога быть милосердным. Давно не бросаются отважные юноши в пропасти, возникшие при землетрясении, в надежде, что земля сомкнется над ними.
Но по-прежнему настороженно слушают обитатели вулканических островов грозные подземные взрывы, предвещающие начало извержения. Как встарь, в тревоге следят японские крестьяне за небольшой рыбкой в аквариуме, беспокойное поведение которой предшествует разрушительным толчкам почвы.
Огромная слепая сила затаилась под нами. Неисчерпаемые источники энергии скрываются во чреве нашей планеты. Нетронутые залежи полезных ископаемых покоятся в ее недоступных тайниках.
Еще вчера люди не могли и помышлять о завоевании подземного царства. Проникнуть в загадочные глубины, добыть их сокровища, заставить энергию земли служить народам — решает человечество сегодня.
В наши дни, параллельно с исследованием космического пространства, ведется усиленная подготовка в штурму земных недр. И мы, жители двадцатого столетия, в ближайшие годы станем современниками и участниками этого грандиозного наступления.
Что известно науке о строении Земли?
Мы знаем, что Земля представляет собою тело эллипсоидальной формы радиусом около 6360 километров. В результате постоянного вращения она слегка сплющена у полюсов и расширена в области экватора.
Земной шар окружен тонкой газообразной оболочкой — атмосферой. Эта воздушная оболочка состоит в основном из азота и кислорода с примесью небольшого количества аргона, водяных паров, двуокиси углерода и некоторых других газов.
Поверхность планеты покрыта сравнительно тонкой жидкой оболочкой — гидросферой. Гидросфера включает в себя все существующие природные воды — океаны, моря, реки, озера, а также подземные водоносные горизонты. Наибольшая толщина гидросферы — около одиннадцати километров. В виде океанических бассейнов, континентальных водоемов и текучих вод она покрывает более двух третей площади Земли.
Наконец, следует твердая оболочка —  литосфера (от греческих слов «литое» — «камень» и «сфера» — «шар»), или земная кора. Литосфера состоит из различных каменных образований — гранитов, базальтов, известняков, песчаников, сланцев и других горных пород, а также из продуктов их разрушения.
Кроме трех названных оболочек — геосфер, — существует еще одна, называемая биосферой (слово «биос» по-гречески значит — «жизнь»). Как явствует из самого названия, биосфера представляет собою пространство, в котором развиты процессы органической жизни. Она охватывает атмосферу (в особенности — ее нижние слои), гидросферу и заходит в верхнюю часть литосферы.
Наружные слои земной коры изучены неплохо. Они пройдены шахтами, разбурены многочисленными скважинами; для них составлены подробные геологические карты.
Но на глубине всего нескольких тысяч метров начинается совершенно неисследованная область. Проникнуть сюда оказалось не менее сложно, чем подняться в космос. Высокая температура, огромное давление, подземные воды, вредоносные газы, опасная радиация образуют непреодолимую преграду на пути открывателя.
Наиболее глубокие буровые скважины спускаются в толщу Земли не дальше чем на семь километров. Глубочайшие шахты редко достигают и двух километров. Выходит, даже в самых удачных случаях непосредственному изучению доступна лишь тонкая пачка самых верхних отложений, толщина которой не превышает одной тысячной земного радиуса.
Тем не менее нами все-таки получено немало знаний о строении более глубоких частей планеты.
Много интересного рассказывают ученым землетрясения. При землетрясении в горных породах возникают упругие сейсмические колебания, состоящие из продольных и поперечных волн. В каждом типе пород эти колебания распространяются с определенной скоростью, присущей только данной породе. Проходя сквозь сложную совокупность пластов, сейсмические волны непрестанно изменяют свою скорость.
Чувствительные приборы — сейсмографы — записывают эти изменения. И потом, сравнивая записи с уже известными сведениями о скорости волн в различных породах, специалисты-геофизики могут предположить, какие пласты залегают в недоступных взгляду глубинах.
При особенно сильных землетрясениях, когда сейсмические колебания обходят весь земной шар, удается «прощупать» всю Землю насквозь и определить расстояния до внутренних геосфер.
Второй очень важный для познания глубин метод заключается в изучении распределения силы тяжести на поверхности Земли.
Величина силы тяжести закономерно меняется в зависимости от географической широты местности. Но, кроме того, она зависит еще от геологического строения и размещения масс в земной коре. Над участками, сложенными легкими породами, сила тяжести уменьшается, а над полями распространения тяжелых пород — возрастает. Изучение этих отклонений, которые называются гравитационными аномалиями, тоже позволяет делать выводы о строении Земли.
Кроме того, значительное количество ценных знаний приносят исследования магнетизма, земных электрических токов, физической массы Земли и ее инерции. Не ограничиваясь теми возможностями, которые предоставляет нам природа, геофизики сами производят небольшие экспериментальные землетрясения, а также пользуются данными, полученными при полетах искусственных спутников и взрывах ядерных бомб.
Все эти методы, из которых здесь были упомянуты только главнейшие, позволяют довольно уверенно судить о строении нашей планеты.
Приповерхностная часть земной коры сложена переслаиванием осадочных пород — таких, как сланцы, песчаники, конгломераты (галечники), известняки, мергели. Толщина (или, как говорится, мощность) этого слоя очень непостоянна. Например, в районе Ленинграда она не превышает нескольких сот метров, на Кавказе измеряется многими километрами, а на Кольском полуострове отсутствует совершенно.
Под слоем осадочных пород залегает гранитная оболочка. Слой гранита наиболее толст в горных областях (до пятидесяти километров). Под материковыми равнинами он значительно тоньше и обычно не превышает десяти километров. А над дном океанов этот слой становится совсем тонким или даже вовсе исчезает.
Ниже гранитного слоя лежит слой базальтов. Этот слой ведет себя несколько иначе, чем гранитный. Наибольшая мощность базальтов — тридцать километров — наблюдается под плоскими равнинами материков. Зато под горными хребтами толщина этого слоя уменьшается до десяти — пятнадцати километров. Что же касается океанских районов, то здесь базальтов тоже почти нет.
Поскольку на всем протяжении гранитного и базальтового слоев преобладают кремневые и алюминиевые химические соединения, оба эти слоя вместе иногда объединяют под названием «сиаль» — от латинских слов «силициум» (кремний) и «алюминиум» (алюминий).
Таким образом, земная кора состоит из трех слоев: слоя осадочных пород (верхнего), гранитного (среднего) и базальтового (нижнего). В горных странах ее толщина составляет пятьдесят — семьдесят, а под равнинами — всего тридцать — сорок километров.
Продольные упругие колебания распространяются в земной коре со скоростью до шести с половиной километров в секунду. Но, миновав литосферу, они внезапно резко увеличивают скорость до восьми километров в секунду. Такое скачкообразное изменение скорости сейсмических волн по выходе из базальтового слоя отмечается повсеместно.
По-видимому, в подошве земной коры проходит какая-то поверхность раздела, ниже которой залегают совершенно другие породы. Впервые такое явление установил в 1909 году на Балканах хорватский ученый Мохоровичич. В его честь поверхность раздела названа поверхностью Мохоровичича.
Поверхность Мохоровичича отделяет земную кору от следующей, более глубокой оболочки Земли, которая называется мантией. Раньше она называлась «промежуточной». Но после введения в обиход термина «мантия» промежуточной стали обычно называть только нижнюю зону этой геосферы.
Мантия одевает земной шар сплошным покровом без единого перерыва. Толщина ее повсюду одинакова — немного менее 2900 километров.
Внутри мантии намечаются две зоны, рубеж которых далеко не так четок, как граница между мантией и литосферой.
Поскольку в верхней зоне мантии скорость распространения упругих колебаний доходит до восьми километров в секунду, можно предположить, что ниже поверхности Мохоровичича залегают уль- траосновные породы (т. е. породы, содержащие меньшее количество кремнекислоты, но в то же время более богатые железом и магнием, чем базальты). В связи с этим верхнюю часть мантии иногда называли «сима» — от слов «силициум» (кремний) и «магнезиум» (магний).
Но не исключена возможность, что эта зона тоже состоит из базальта. Однако базальт пребывает здесь уже не в кристаллическом, как в литосфере, а в аморфном (т. е. бесструктурном, стекловидном) состоянии.
Примерно посредине верхней зоны, на глубине 400 километров, расположена граница, ниже которой наблюдается необычайно быстрый рост скорости волн, продолжающийся до глубины 900 километров. Этот слой был открыт в 1913 году русским ученым Б. Б. Голицыным и может по праву быть назван его именем.
Глубже девятисот километров начинается нижняя зона мантии — промежуточная оболочка. О строении этой оболочки мы знаем совсем мало. Продольные волны ускоряют в ней свой бег с одиннадцати до тринадцати с половиной километров, а поперечные — с шести с половиной до 7,3 километра в секунду. Плотность вещества промежуточной оболочки равна 5—6 г/см3. В этой зоне располагаются те центры намагничивания, которые вызывают образование так называемого дополнительного магнитного поля Земли.
Внутри промежуточной оболочки можно выделить несколько слоев, природа которых не вполне ясна. Наиболее достоверные границы между такими слоями, очевидно, находятся на глубинах 1200, 1800 и 2700 километров.
На расстоянии 2900 километров снова проходит поверхность раздела, столь же отчетливая, как поверхность Мохоровичича. У этой черты скорость продольных волн резко падает и вновь становится равной восьми километрам в секунду. А поперечные волны вообще не могут преодолеть невидимого барьера.
Ниже этой границы располагается ядро Земли.
Не так давно получены данные, позволяющие установить, что и ядро не является монолитным. В нем выделяются две зоны: внешнее ядро, представляющее собою оболочку толщиной 2180 километров, и внутреннее ядро, залегающее в центре планетного тела в виде сферы радиусом 1280 километров. Иногда внешнее и внутреннее ядро вместе называют барисферой.
Плотность пород, слагающих внешнее ядро, увеличивается с глубиной от 10 до 12 г/см3. В том же направлении повышается и давление, изменяясь от двух до трех миллионов атмосфер.
Во внутреннем ядре плотность пород еще больше возрастает, и, как предполагают, в центре Земли она равна 16 г/см3 при давлении три с половиной миллиона атмосфер.
Поскольку вещество ядра не проводит поперечных колебаний, есть серьезное основание предполагать, что оно находится в жидком состоянии.
О            составе этого вещества судить трудно. По единодушному мнению исследователей, ядро должно быть металлическим.
Одни ученые считают, что земное ядро состоит главным образом из железа; другие приводят доказательства, что железа в ядре не больше, чем в любой из вышележащих геосфер. Обе гипотезы имеют приблизительно равные числа доводов в свою пользу, и отдать предпочтение какой-либо из них поистине затруднительно.
Несколько десятилетий назад считалось, что Земля некогда была раскаленным шаром, который на протяжении миллиардов лет постепенно остывал и сокращался в объеме, но сохранил в своих недрах тепло, доставшееся ему в наследство от материнской звезды.
Работы последних лет показали, что нет никаких оснований предполагать остывание земного шара. Вероятнее всего, он, напротив, разогревается за счет распада радиоактивных элементов. Согласно расчетам, температура в самых нижних слоях земной коры равна приблизительно тысяче градусов. В верхней зоне мантии она достигает 1700°. На границе ядра — около двух с половиной тысяч градусов, а в его середине — лишь немного выше.
После многолетнего изучения удалось в общих чертах представить строение нашей планеты. Однако современные геологические науки не могут удовлетвориться такими скудными сведениями.
Насущные нужды человечества ежегодно требуют все больше новых полезных ископаемых. И ключ к желанным месторождениям— в более серьезном знании глубин Земли.
Сейчас советские геологи разрабатывают план решительного наступления в недра. На первых порах этого натиска намечено пробурить на территории нашей страны пять сверхглубоких скважин, каждая из которых войдет в толщу земных пластов более чем на десять километров.
Одну из таких скважин предполагается заложить в Прикаспийской низменности. На протяжении миллионов лет эта область испытывала непрестанное погружение и заполнялась осадочными породами, мощность которых к нашему времени достигла четырнадцати тысяч метров. Здесь в толще древних осадков лежит под землей нефть. Откуда взялись эти нефтяные залежи? Одна группа ученых считает, что нефть имеет органическое происхождение. Другие исследователи оспаривают эту точку зрения и, следуя идеям Д. И. Менделеева, предполагают, что нефть образовалась безо всякого участия организмов и является продуктом («эманацией») земных недр.
Прикаспийская скважина пройдет всю четырнадцатикилометровую толщу осадочных пород, вскроет нижнюю границу нефтеносных слоев и будет остановлена в гранитном фундаменте. Она принесет нам знание одного из самых мощных разрезов осадочных отложений и, возможно, поможет решить давний спор о происхождении нефти.
Вторая скважина будет пробурена в Карелии. Ее проектная глубина 12—15 километров. Она пронзит гранитную оболочку и войдет в базальтовый слой.
С помощью этой скважины геологи надеются получить важные материалы об изменениях, происшедших с кристаллическими породами на протяжении истории Земли. Ожидается также, что будут добыты новые сведения о строении и образовании материков и о причинах, вызывающих поднятие Скандинавского полуострова, которое началось несколько десятков тысяч лет назад и явственно продолжается в наши дни со скоростью одного сантиметра в год.
Третью скважину намечено пробурить в одном из рудоносных районов. Вероятнее всего, в качестве такого района будет избран Урал, в пределах которого располагается один из богатейших рудных поясов Земли.
Вскрыв основание Уральских гор, скважина поможет обнаружить и изучить подземные каналы, по которым в прошлые геологические периоды поднимались потоки, выносившие из глубин Земли насыщенные металлами растворы.
Четвертая скважина призвана решить другой круг вопросов.
Известно, что Земля непрерывно излучает в мировое пространство огромное количество тепла. Является ли это нагревание следствием ядерного распада, происходящего в глубинах планеты? Или, может быть, громадное давление разогрело внутренние слои Земли?
В любом случае нижняя часть базальтового слоя представляет собою мощный тепловой генератор, производительность которого в миллиарды раз превышает силу всех существующих на земле источников энергии.
Нельзя ли попытаться обратить работу могучего подземного двигателя на пользу человеку?
В тех же слоях зарождаются очаги многих землетрясений. Мы еще недостаточно хорошо знаем природу этого стихийного бедствия. Необходимо проверить и уточнить целый ряд наблюдений, предположений, фактов. И тогда мы, возможно, сумеем давать прогнозы трясения земных слоев, подобно тому, как предсказывают астрономы дни наступления солнечных и лунных затмений.
Первым шагом в этом направлении будет скважина, которая вскроет весь базальтовый слой до самой поверхности мантии. Такую скважину геологи намереваются пробурить в Закавказье.
Пятая скважина будет заложена специально для изучения строения и вещественного состава мантии. Для нее надо было отыскать на земном шаре такое место, где раздел Мохоровичича подходит особенно близко к дневной поверхности. После некоторых поисков внимание специалистов остановилось на Курильской островной цепи. Здесь, на Курилах, где океаническая область смыкается с континентальной, земная кора сравнительно тонка. И скважина, пробуренная на одном из островов, пройдя через все три слоя литосферы, сможет внедриться в подкоровое вещество.
Как вы заметили, такое расположение скважин не случайно. По замыслу ученых, после осуществления этих работ нам станет доподлинно известно строение двух верхних оболочек Земли.
Действительно, первая скважина вскроет всю толщу осадочных отложений и войдет в граниты; вторая — пройдет гранитный слой и будет остановлена в базальтах, следующая — пробурит базальтовый слой и достигнет поверхности Мохоровичича. И, наконец, Курильская скважина пройдет осадочный, гранитный и базальтовый слои литосферы, пересечет поверхность Мохоровичича и вскроет земную мантию.
Подготовка к маршу в глубь Земли разбудила много сложных проблем, требующих немедленного решения.
Обычный процесс бурения не представляет значительных трудностей. В скважину опускается укрепленный на длинной трубе («штанге») буровой снаряд с коронкой, в которую вправлены алмазные или победитовые резцы. Вращаясь в толще горной породы, коронка вырезает из нее круглый столбик, называемый керном. Время от времени система буровых труб извлекается из скважины, керн вынимают, описывают и укладывают в специальные ящики. А коронку вновь опускают в забой и продолжают бурение. По мере того как скважина погружается, ее стенки, во избежание обвалов, обсаживают трубами. А штангу понемногу удлиняют, привинчивая к ней сверху новые секции.
Но, когда заходит речь о скважинах глубиною в десятки километров, — сразу возникает масса вопросов.
Какие материалы использовать для бурения? Как вести промывку породы на такой большой глубине? Удастся ли производить обсадку стен скважины? Металлические трубы длиною более десяти километров безусловно не выдержат собственного веса и начнут деформироваться. Как избежать этого? На тех глубинах, в которые проникнут скважины, каждый квадратный сантиметр площади испытывает давление более двух с половиной тысяч атмосфер.
Не произойдет ли катастрофических обвалов? С погружением на каждые сто метров температура увеличивается на три градуса. Не проявятся ли неожиданно на глубине какие-либо новые явления, опасные для нормальной работы буровой установки?
А может быть, вместо скважин целесообразнее заложить колоссальные шахты? Проходка этих шахт в некоторых отношениях будет даже выгоднее бурения. И кроме того, вместо узкой колбаски керна, который принесет нам скважина,?
геологи получат возможность в натуре изучать обнажения глубоких пластов Земли.
Большие отряды специалистов работают над решением этих задач. А наряду с поисками новых методов бурения выдвигается мысль о создании управляемых подземных кораблей, могущих свободно двигаться в толще горных пород. Проекты таких подземных геологических станций уже разрабатываются.
Еще в прошлом веке, наблюдая проворные движения крота и тропического трубкозуба, некоторые смелые умы мечтали создать машину, которая могла бы, подобно этим животным, двигаться под землей. Но этот вариант, по-видимому, не подойдет для «подземного спутника»: породы, залегающие в глубинах, слишком плотны, и машина, построенная на «роющем» принципе, не сможет преодолеть их сопротивления.
На крупных горнодобывающих предприятиях уже сейчас действуют конструкции, в основу которых положен принцип вращательного бурения. Они успешно применяются для проходки горизонтальных шахт. Но буровые приспособления этих машин быстро изнашиваются.
Вероятно, подобные устройства тоже едва ли будут использованы в подземной станции, которой придется передвигаться вдали от поверхности земли в таких условиях, когда пришедшие в негодность детали не могут быть заменены.
Скорее всего подземные суда будут прокладывать путь с помощью направленных струй раскаленной плазмы. Под действием температуры около шести тысяч градусов преграждающие дорогу породы перейдут в газообразное состояние, и геологическая станция сумеет свободно пройти сквозь любые горные образования, невзирая на их плотность.
Расчеты показывают, что подземные суда этого типа смогут развивать скорость от нескольких метров до пяти сотых километра в час. Другими словами, для того чтобы преодолеть четырнадцатикилометровое расстояние до поверхности гранитов в Прикаспийской низменности, такому кораблю потребуется около трехсот часов. А на проходку скважины такой же глубины мы вынуждены будем затратить многие месяцы.
В научных кругах склоняются к мнению, что именно подвижные подземные станции могут сыграть главную роль в изучении отдаленных глубин. Первые корабли-разведчики, наверное, получат автоматическое управление.
Но впоследствии в поход выйдут машины, на борту которых будут находиться люди. И не за горами день, когда на лабораторные столы лягут образцы неведомого вещества земной мантии.
Александр Олейников