На стыке стихий

Лев Юдасин.

Каких только моделей на свете нет! Физические, математические, игрушечные, декоративные, модели машин, живых организмов, сейсмостойких зданий, гидроэлектростанций... Здесь мы хотим рассказать о моделях, имеющих отношение к сложнейшим геологическим процессам. Это работы молодого сотрудника Музел землеведения МГУ, кандидата физико-математических наук Александра Ильича Шеменды. Но сначала немного о самой проблеме, поскольку она в последние годы вызывает среди ученых мира немало горячих дискуссий.

ДВЕ КОРЫ

Что считать границей между морем и сушей? Если об этом спросить отдыхающих на морском пляже, то, наверное, почти каждый скажет, что тут все очевидно. Однако геологам этот вопрос не кажется простым, для них здесь источник многих сомнений, догадок, бесконечных споров. Но почему же, не мудрствуя лукаво, не принять за границу береговой урез воды или полосу прибоя? Да потому, что они не отличаются постоянством: ежедневные приливы и отливы, продолжительные наступления и отступления вод на земную твердь. Убыстряется, например, таяние полярных льдов — и низменности материков затапливает вода. Поэтому некоторые специалисты считают, что границу между морем и сушей следует проводить по краю когда-либо затапливавшейся приморской равнины. Другие возражают: в такой жестепени правомерно перенести контур континентальной окраины и в противоположную сторону — за много миль от берега, включить весь шельф. В недавнем прошлом он мог быть сушей, оказавшейся ныне под водой. Ведь доказано, что шельф, как и материковые склоны, это — подводное продолжение континентов.

Вот еще вариант границы между океаном и материком: та полоса в толще подводных осадков, где уже не встречаются материалы, снесенные с суши.

А по какому «ведомству» числить множество островов — больших и малых? Они что — мини-материки или выходы океанского дна на дневную поверхность?

Дискуссии на все эти темы идут давно. Раньше, вплоть до середины нашего века, их смысл, их значение были вроде бы совершенно ясны. Считалось, что интересы рудознатцев в основном ограничиваются пределами континентов, что стык океана и суши как бы очерчивает пространственный круг интересов практической геологии.

Но ныне-то о подобном круге и речи не может быть. Открыты обширные подводные горные страны. На глубоководном дне обнаружены крупные скопления полиметаллов. Родилась новая отрасль старой науки — морская геология. Казалось бы, проблема границы должна была отпасть сама собой...

Впрочем, тут надо вспомнить еще один вариант той же границы.

Три четверти века назад немецкий геофизик Альфред Вегенер, тот самый, который известен как один из родоначальников гипотезы дрейфа континентов — мобилизма, высказал оригинальную идею. Суть ее вот в чем: у Земли две принципиально отличные друг от друга коры — континентальная и океаническая. У океанической отсутствует слой гранитного типа, осадочные породы в океане покоятся непосредственно на базальтовом фундаменте. Он же составляет нижний этаж и у материков, но там над ним непременно есть гранитный слой.

Предположение Вегенера о сравнительно тонкой базальтовой коре океанов ныне блистательно подтвердилось: записью распространения упругих волн при землетрясениях, сейсмическим зондированием, бурением дна с исследовательского судна «Гломар Челленджер».

В 50-х годах выяснилось, что вдоль оси срединно-океанического хребта протяженностью в десятки тысяч километров гянется своеобразное ущелье — рифтовая долина. Там свершается великое таинство планеты — из частично расплавленного материала верхней мантии Земли (астеносферы) нарождаются новые и новые участки океанской коры. Они очень медленно расходятся в стороны, словно разносятся двумя конвейнерными лентами. Толщина коры 5—7 километров. Кора и спаянная с ней твердая часть верхней мантии вместе достигают мощности примерно 70 километров. Это так называемая литосфера.

А где возникла (или возникает) континентальная кора? Уж не на границе ли океанского дна и подножия материков?

И если это действительно так, то стык двух стихий, конечно, не полоса прибоя, не прибрежная равнина, и не шельфовые пределы, а переходная зона от океанской коры к континентальной. И, следовательно, с границей «суша — море» напрямую связана проблема происхождения континентальной коры со всеми ее полезными ископаемыми.

Вот откуда такой обостренный интерес ученых к тому, где все-таки эту границу проводить и что реально происходит на стыке стихий.

ЗА КРУГЛЫМ СТОЛОМ

Дискуссии разгораются так бурно, вероятно, еще и потому, что пока никто.не смог побывать в переходной зоне. Или хотя бы заглянуть в нее. В срединные рифты опускались и довольно много узнали о том, как рождается океаническая кора. А вот о том, что происходит на стыке стихий, судят лишь по косвенным (главным образом по геофизическим) сведениям. Эти зоны пока недоступны бурению.

Что же все-таки о них доподлинно известно?

Дно краевых морей, например Охотского, на некотором протяжении выстлано корой переходного типа. Полосы островных архипелагов — это наиболее активные зоны, зоны землетрясений, действующих вулканов. Они расположены чаще всего в виде пологих дуг и будто ограждают краевые моря, как цепь сторожевых форпостов. Это на западе Тихого океана. А на востоке — активно само побережье.

Почти по всему периметру океана идет система узких, но очень глубоких желобов. Разделенные лишь небольшими перемычками, они как бы продолжают друг друга. Одна из гирлянд, начинаясь у Аляски, огибает Алеутские острова, Камчатку, Курилы, переходит в японскую окантовку и завершается знаменитой Марианской впадиной — самой глубокой на Земле.

Строение желобов во всех океанах в принципе сходно. Дно у них ровное, а в поперечном разрезе каждый желоб асимметричен и напоминает растянутую в стороны галочку, какую мы, случается, ставим на полях книги, чтобы отметить заинтересовавшее нас место.

С желобами связано немало загадочного. Примерно полвека назад сейсмологи обратили внимание, что среди множества подземных толчков, постоянно сотрясающих нашу планету, бывают и такие, у которых очаги находятся на глубине в несколько сотен километров, то есть ниже земной коры. Они приурочены, как правило, к краевым морям, к островным дугам. Глубина очага землетрясения возрастает по мере удаления его от желоба в сторону суши.

В 1946 году советский ученый академик А. Н. Заварицкий впервые сделал грубый набросок зоны глубоких землетрясений, избрав для примера район Курильских островов. Почти все подкоровые очаги четко легли на поверхность, наклонно уходящую под Курилы и Охотское море. Такие же наклонные поверхности уходят под Японию и другие островные дуги, под Зондский архипелаг, под Южную Америку. Они не всюду имеют одинаковую крутизну, но все начинаются непосредственно от желобов.

Спустя шесть лет американский геофизик Хуго Беньоф полностью подтвердил схему советского ученого, хотя для построения своей схемы выбрал другой тихоокеанский район — соседствующие островные дуги Тонга и Кермадек. Впоследствии аналогичные средоточия очагов глубоких землетрясений стали именовать зонами Заварицкого — Беньофа.

Исследователей удивляло, что желоба столь узки. Что это? Прогиб? Перелом коры? Из-за чего он образовался? В некоторых желобах покоятся довольно обильные наслоения осадков. Известны впадины, до краев заполненные осадочными породами. В сущности, это уже бывшие впадины. А некоторые тихоокеанские бездны почтн совсем не засыпаны, и глубины в них громадные. Так, значит, сначала появляется глубочайший желоб, потом его заносит разным материалом. А не наоборот: не от нагрузок осадочных скоплений образовались резкие изгибы литосферы. Так отчего же они образовались? Океанологи, геологи и геофизики мира считают этот вопрос настолько важным, что время от времени посвящают ему специальные международные симпозиумы, на которых идет обсуждение новых фактов, догадок, гипотез.

Фактов пока что маловато, да и толковать их удается по-разному. Поэтому каждая из сторон считает, скажем, зоны Заварицкого — Беньофа подтверждением именно своей концепции.

Для фиксистов (сторонников гипотезы неизменного положения материков) глубоководные желоба — это выходы на поверхность тех трещин, по которым смещаются вверх и вниз подвижные блоки континентов. Фиксисты представляют себе это так: континентальная кора, прежде господствовавшая на Земле, постепенно замещается океанической. Наиболее вероятный механизм — погружение материковых глыб (относительно холодных) в сильно нагретую верхнюю мантию.

А вот иной вариант гипотезы. Материки просто расползаются под действием собственной тяжести, как тесто на столе. Зоны Заварицкого — Беньофа — границы взаимодействия океанского дна и натекающих на него континентальных масс.

Противники этих концепций указывают на то, что при этом не объясняется ни сходство желобов, ни приуроченность их к островным дугам.

У мобилистов — сторонников гипотезы дрейфа континентов — в последние годытоже появились разные направления. Их различие проявляется главным образом в отношении к переходным зонам.

Согласно теории литосферных плит, в таких местах одна из плит пододвигается под другую. Между ними появляется глубоководный желоб. Этим объясняется, что все желоба похожи. Движение океанской коры, народившейся в рифтах из материала мантии, получает как бы логическое завершение — плита уходит опять в мантию и поглощается ею.

Здесь уместно вспомнить, что еще в 60-х годах сейсмографы впервые зафиксировали толстую плиту, «ныряющую» от желоба под островную дугу Тонга на глубину 700 километров. Ее увидели совершенно отчетлиьо, словно монету в закрытом кошельке под рентгеновским аппаратом.

В те же годы специалисты обратили внимание на то, что на глубине 100—200 километров уменьшается число очагов землетрясений, и там же чуть-чуть теряют скорость сейсмические волны, встречая не столь плотную среду. Еще Заварицкий подсчитал, что как раз над такими глубинами и возвышаются на островных дугах цепочки вулканов. Вероятно, местный разогрев размягчает плиту.

Приверженцы теории литосферных плит видят в этом примету сложного геологического процесса: над зоной поддвига, там, где происходит расплав затянутых вместе с корой осадков, а отчасти и самих океанических плит, где происходит подъем магмы, насыщенных растворов и флюидов,— формируется кора континентального типа.

Однако и эта концепция не удовлетворяет некоторых теоретиков. Они считают, что существующие желоба якобы не в состоянии поглотить всего объема нарождающейся океанической литосферы. И предлагают иной вариант мобилизма: кора и мантия многослойны, горизонтальное движение материала в каждой из пластин идет с разной скоростью. При этом движется, конечно, вся литосфера. Столкновение таких перемещающихся пластин ведет к дисгармоничному смятию, скучиванию, разнообразным проявлениям магматизма. Переходные зоны — области, находящиеся в процессе формирования континентальной коры.

И эта точка зрения тоже удовлетворяет далеко не всех геологов. Дискуссии продолжаются, что, естественно, стимулирует дальнейшее развитие знаний. Но вот другой способ выяснения истины—моделирование — до последнего времени у геологов использовался гораздо реже.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ В «КОМПОЗИЦИИ»

Сказать, будто современные науки о Земле пренебрегают воспроизведением в лабораториях подобия геологических процессов, было бы несправедливо. Но как-то очень долго с этим не везло.

В чем главный принцип теории подобия? У оригинала и его модели отношение одних и тех же признаков друг к другу(или комбинаций признаков) должны быть равны. Скажем, отношение высоты к ширине какого-нибудь небоскреба. Если оно останется таким же и у миниатюрной поделки, то геометрическое подобие фасада огромного здания будет соблюдено. Но только геометрическое, и только фасада. А в остальном поделка останется игрушкой, макетом, не моделью. Потому что не соблюдено подобие в других соотношениях — толщины стен и перекрытий, размеров окон и дверей, комнат и лестниц, а также в соотношении физических и химических свойств строительных материалов, подобранных с учетом силы господствующих ветров, атмосферного давления, температуры воздуха... Создание идеальной модели — дело очень сложное и потому не всегда возможное.

Геологи давно начали изучать в лабораторных экспериментах нечто похожее на процессы, идущие в земной коре и мантии.

Полвека назад английский ученый Нетлтон наполнял стеклянный сосуд двумя жидкостями — сахарным сиропом и нефтью (веществами с разной плотностью) и переворачивал сосуд. Нефть медленно всплывала. По замыслу автора, это демонстрировало перемещение горных пород в результате действия одной лишь разности плотностей.

Позже, в 60-х годах, известный шведский геофизик, профессор Ханс Рамберг использовал центрифугу, где центробежная сила могла в тысячи раз превышать нормальную гравитацию Земли. При этом, например, резко менялись свойства самой обыкновенной глины. Она начинала течь, подобно жидкости. Ценно, что эксперимент можно было останавливать на любой стадии, изучить, что и как изменилось в образцах. Рамбергу удался принципиально новый шаг в воспроизведении геологических процессов. Однако и ему соблюсти принцип подобия удалось далеко не во всем. Он проводил эксперименты с пластилином, глиной, асфальтом. К сожалению, эти материалы не могут, оставаясь в обычном состоянии, давать неискаженные представления о процессах, происходящих в недрах Земли. В лучшем случае они отражают лишь отдельные особенности оригинала.

Математические модели тоже не универсальны. До тех пор, пока описание, допустим, переходных зон сильно схематизируется, упрощается, еще удается справиться с частными задачами. Но, если в таких моделях увеличить число входящих элементов, математический аппарат задачи настолько усложняется, что даже при использовании современных ЭВМ она становится практически нерешаемой.

А. И. Шеменда избрал другой путь эксперимента. Начало и у него не было многообещающим.

Он взялся построить модель литосферы. Для этого, согласно его расчетам, подошел бы, как ни странно, материал типа студня. Шеменда взял для опыта желатин и делал все, как полагалось. Держал желатин в холодной воде, прежде чем опускать в кипяток. Готовое варево разливал по жестяным коробочкам лишь при комнатной температуре. Терпеливо ждал, пока застынет... Но даже извлечь желе из формы оказалось невозможно, оно растекалось под руками.

Пробовал построить модель из другого материала — заваривал крахмал. Результат — тот же.

Конечно, и желе и кисель можно было сделать покруче. Но тогда все пришло бы в противоречие с теорией подобия, и задуманные модели потеряли бы всякий смысл. Расчеты прежде показывали, что если найдется, скажем, такой титан, которому будет под силу поднять часть реальной литосферы, то гигантская глыба под действием собственной тяжести просто растечется у него меж пальцев!

Расчеты были вполне корректными, но им не хотелось верить — очень уж обескураживал вывод. Опыт подтвердил: со студнями, отвечающими требованиям теории подобия, работать, к сожалению, нельзя — не взять в руки.

Шеменда отказался от студней. Стал искать другой материал для модели. Извилистый путь поиска привел его в Институт элементоорганических соединений АН СССР. Там в лаборатории, где испытывают механические свойства полимеров, ему дали попробовать «оригинальную композицию» — сажу, смешанную с синтетическими маслами.

У «композиции» действительно обнаружилась масса достоинств. Она легко принимала нужную форму удлиненного бруска. Когда исследователь брал ее в руки, не растекалась и не рассыпалась. В химическом отношении была инертна. При нагревании размягчалась и изменяла некоторые свои свойства отчасти именно так, как нужно было Шеменде. К сожалению, лишь некоторые и лишь отчасти, и ему никак не удавалось хотя бы приблизить их к требованиям все той же теории подобия. Зато он абсолютно точно выяснил, что надо иметь дело только с веществами, физические свойства которых легко варьировались бы от изменения температуры и каких-то небольших добавок.

Попробовал перейти к опытам на парафине и воске. Неудача! В чистом виде ни тот, ни другой материал не годился. В них чего-то не хватало.

Шеменда обратился за советом в Московский институт нефтехимической и газовой промышленности имени И. М. Губкина. Как выяснилось, в одной из институтских лабораторий создавали и изучали всевозможные смазки на углеводородной основе.

РЕАЛЬНЫЕ СИТУАЦИИ — СЛОЖНЕЕ

И вот Шеменда уже сам, словно заправский провизор, отмеряет на аптекарских весах пробные дозы вазелинового, парфюмерного масел, парафина, церизина. Потом остужает за окном сформованные бруски;холодильника для опытов пока нет, но благо на дворе зима...

Бруски, затвердевшие на морозе, скользкие на ощупь, можно свободно брать в руки, измерять, резать. Они оказались даже прочнее, чем «оригинальная композиция» из сажи.

Наконец решился уложить брусок в воду в прямоугольную ванночку из плексигласа, приладил к нему поршень, чтобы сжимать образец с боков. Достаточно было здесь же нагреть брусок на определенное число градусов, как его плотность, удельный вес, прочность и другие свойства становились близкими к тем, которые годились для модели океанской литосферы и ее взаимодействия с разуплотненной верхней мантией.

Уже не вызывало ни малейшего сомнения, что у модели и оригинала совершенно одинаков, например, такой важнейший показатель, как отношение прочности литосферы к ее удельному весу, умноженному на ее толщину. Шеменда сделал свою плиту в три миллиона раз тоньше настоящей: вместо 70 километров — 2,3 сантиметра. Так как невозможно во столько же раз увеличить удельный вес образца, пришлось существенно ослабить нагревом прочность, К началу опытов, уже покоясь на «астеносфере» в плексигласовой ванночке, его «плита» становилась жиже зубной пасты.

Удалось добиться постоянства целого ряда отношений: прочности к упругости, плотности литосферы к плотности астеносферы. Да, теперь его «композиция» отвечала многим требованиям теории подобия. Кстати, для моделирования астеносферы он поначалу тоже кропотливо подбирал «композицию». А оказалось, что вполне подходит простая вода. Только «литосферу» пришлось чуть уплотнить — добавить толченого мела, дабы не исказить нужного соотношения.

Наконец наступил день, к которому Шеменда шел не один год. Шел, постигая таинства физики и геофизики, геохимии и коллоидной химии, геологии и океанологии.

Все было готово к эксперименту. То, что произойдет с приведенной в действие моделью, можно будет хорошенько рассмотреть и сфотографировать — стенки ванночек прозрачны. Учтен также фактор времени, поскольку большинство геологических процессов протекает крайне медленно, и это существенно сказывается на их результатах. Расчеты показали: опыты вернее всего ставить так, чтобы одна минута в эксперименте соответствовала примерно миллиону лет в природе.

Впервые в практике геологического моделирования Шеменда применил также измерительную аппаратуру, снабженную лазером. Исключительно точную. Кроме того, каждый опыт можно было застопорить на любой стадии развития «геологического процесса», затем образец остудить, а затвердевший разрезать и зафиксировать происшедшие внутри него изменения. Это чтобы давать не только качественные, но и количественные оценки природных явлений.

...Эксперимент начат. Вращающийся винт очень медленно подает поршень вперед. Продольное сжатие «плиты», плавающей на «астеносфере». Как «плита» поведет себя дальше? Будет коробиться, скучиваться, трескаться? Вот она посредине чуть изогнулась вверх. Затем по краям горбинки появились наклонные трещины, идущие в разные стороны... Вращение винта продолжается, сжатие усилилось.

«Плита» разрушается вдоль одной из наклонных трещин. Сначала это едва заметно. Через минуту — совершенно явно. Трещина проходит примерно под углом сорок пять градусов. Именно вдоль трещины правая часть «плиты» пододвигается под левую. И все ниже опускается в «астеносферу». А левая часть (такая же заостренная) наползает на правую — словно утюжит ее. Значит, все-таки поддвиг! Под углом, близким к наиболее распространенному наклону зоны Заварицкого — Беньофа. Несомненные соответствия с тектоникой плит.

Позади сотни опытов — колоссальный труд, если учесть, что каждый длился не менее 12 часов. Промоделированы самые разные ситуации в активных переходных зонах Земли. Рельеф «дна океана» при поддвиге в лаборатории оказался полностью подобным реальному. Глубоководные желоба в моделях по своей величине вполне соответствовали (с учетом масштаба) натуральным. В сторону «океана» модельный желоб так же сменялся небольшим по высоте, но протяженным валом, как и в природе.

Опыты Шеменды подтвердили существенные подробности теории тектоники плит. Чем толще и тяжелее плита (а таковой ее делает время), тем больше угол ее погружения в астеносферу. Именно так это происходит в западной части Тихого океана, где литосфера самая древняя. Образец потоньше после раскола уходит вниз под совсем небольшим углом. И это очень похоже на Перуанский регион, где из-за молодой литосферы (тонкой и более легкой) наклон зоны Заварицкого — Беньофа выполаживается чуть ли не до 10 градусов, отчего даже приподнимается большой участок континентальной окраины.

Моделирование показало, что вблизи островной дуги наползающий клин плиты в процессе поддвига разбивается вертикальными разломами на ряд блоков. Они подвижны, они могут вызывать как землетрясения, так и разрушительные цунами в океане.

А вот еще интересная ситуация, о которой не раз говорили теоретики: возможен ли поддвиг подводных гор? Известно, например, что к Марианской впадине с востока подходит цепочка вулканических Магеллановых гор. Однако две из них располагаются по другую сторону желоба, то есть западнее его. Как они туда перебрались? Ряд исследователей считают эти две горы прямым доказательством отсутствия поддвиге плит по крайней мере под Марианские острова. Шеменда вместе с младшим научным сотрудником Андреем Грохольским смоделировал эту ситуацию.

На плите сделаны пупырышки — «горы» высотой в тысячи метров. Идет поддвиг... И «горы» приподнимают передний край наползающей плиты! А дальше они как бы пропахивают тоннель. Очень похоже на рельеф у Марианских островов. По мере заглубления плиты на глубине 15—20 километров «гора» стирается совсем. Это увидели, когда образец остудили и разрезали.

Итак, удалось воспроизвести в физических моделях целый ряд подробностей строения и подвижности переходных зон Земли. На некоторые вопросы, которые считались дискуссионными, эти эксперименты дали вполне однозначные ответы. Интересен отзыв о работах Шеменды профессора В. Н. Николаевского из Института физики Земли АН СССР: «...Со студенческой скамьи нам говорили, что количественное моделирование глобальных геологических процессов в лаборатории наталкивается на неодолимые трудности из-за требований законов подобия... И вот недостижимое стало реальностью...»

Профессор В. Н. Николаевский, как и другие его коллеги, убежден, что опыты А. И. Шеменды открывают широкие перспективы для экспериментальной геологии.

Сам исследователь считает, что, хотя в его моделях сохранены наиболее существенные свойства оригинала, реальные геологические ситуации сложнее, и приближение к ним — по-прежнему его главная забота.

Проблема строения переходных зон Земли пока не закрыта, она требует еще более глубокого изучения. Однако обсуждать ее, вероятно, уже нельзя без учета результатов опытов Шеменды.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>