Тайны земной мантии

В 1909 году хорватский ученый Андрей Мохоровичич обнаружил, что продольные сейсмические волны, вызванные землетрясением, распространяются по земной толще с разной скоростью. В слоях, расположенных ниже 30 километров, они перемещаются быстрее на 1-1,2 километра в секунду, чем в более высоких. Получалось, что под земной корой находится какой-то иной слой. Его назвали мантией.

Позднее выяснилось, что эта загадочная граница (ее назвали границей Мохоровичича, или Мохо) проходит под океаном сравнительно близко, на глубине 5-7 километров. На суше же эта граница фиксируется приборами в диапазоне от 30 до 70 километров.

Толщина самой мантии (до металлического ядра) очень велика, примерно 2900 километров. Простой расчет показывает, что 67% массы нашей планеты состоит из мантии, а по объему она составляет даже 83% размеров Земли.

О земной коре, которая под нашими ногами, мы имеем определенное представление. А вот из чего состоит и в каких условиях находится загадочная мантия, чем она отличается от слоев, которые ее покрывают? Все эти вопросы отнюдь не праздные. Землетрясения, извержения вулканов и даже дрейфы континентов зарождаются в мантии, во всяком случае, в ее верхних слоях. И если мы будем больше знать о процессах, происходящих в мантии, мы сможем в какой-то степени прогнозировать эти катастрофические явления.

Казалось бы, самый простой способ добраться до мантии – бурить дно океана. В 1961-1966 годах в Карибском море в районе острова Гваделупа со специального судна началось такое бурение. Удалось пройти на 183 метра ниже уровня дна. Самым сложным оказалось держать это буровое судно в одной точке в условиях открытого моря. Однако первые добытые тогда керны (образцы горной породы) уже представляли интерес для науки. Но экспедиция была вскоре свернута. Американский Конгресс отказал в дальнейшем финансировании.

В 1968 году в морскую экспедицию отправился буровой корабль нового поколения «Гломар Челленджер». Организовал эту экспедицию океанографический институт в Сан-Диего (Калифорния). Выполненные по результатам бурения исследования доказали, что континенты действительно движутся, а морское дно в рифтовых (разломных) зонах обновляется. Существующее морское дно оказалось значительно моложе нашей Земли − оно не старше 200 миллионов лет.

«Гломар Челленджер» проработал до 1985 года. Были исследованы 624 точки в океане. С этого корабля удалось пробурить морское дно под семикилометровой толщей воды и углубиться в земную кору на 1700 метров.


Самую глубокую в мире скважину на Евразийском континенте стали бурить в нашей стране в мае 1970 года. Закончилось бурение в 1990 году на отметке 12,262 километра. Для скважины выбрали место на северо-западе Кольского полуострова, в 10 километрах от города Заполярный. Здесь на поверхность Балтийского щита выходят древнейшие изверженные породы возрастом около трех миллиардов лет.

Кольская сверхглубокая должна была ответить на множество вопросов: как происходит образование руд, как меняется состав пород по мере продвижения в глубь земной коры и другие. При бурении были подняты на поверхность керны пород суммарной длиной 4,4 километра. Они хранятся в Ярославле.

На глубине 1,8 километра были обнаружены большие запасы медно-никелевых руд. В настоящее время уже вступили в строй соответствующие шахты и началась промышленная добыча этих руд.

Геологи предполагали, что до глубины примерно в 5 километров пойдут граниты, за которыми последуют более прочные и древние породы – базальты. Об этом говорили и данные сейсмического зондирования. На практике же, пройдя более 12 километров, так и не добрались до базальта.

Кроме того, оказалось, что на глубине более 7 километров залегают не более плотные, а менее плотные и менее прочные породы. На глубинах 9-12 километров были неожиданно обнаружены высокопористые породы, насыщенные сильно минерализированными водами. Наличие на большой глубине воды в порах породы однозначно говорит о том, что захоранивать радиоактивные отходы в скважинах, как мы обычно делаем, нельзя.

Вообще, на Кольской скважине работать было очень сложно. По мере углубления температура росла быстрее, чем предусматривали предварительные расчеты. Уже на пятикилометровой глубине температура пород перевалила за 70 градусов, а на глубине 12 километров датчики зафиксировали 220 градусов. Нашим инженерам приходилось срочно создавать новое оборудование, которое могло бы работать в таких условиях.

На больших глубинах, где нет осадочных пород, неожиданно появился природный газ метан. Предположительно он мог образоваться из минеральных компонентов. В глубине есть водород, железо, карбонаты. Плюс сильное давление порядка 1000 атмосфер. Может быть, в природе так и рождаются легкие углеводороды, без участия органических реакций.

Неожиданно были обнаружены 17 типов окаменелых микроорганизмов. А возраст глубинных слоев, где их нашли, составляет порядка 2,8 миллиарда лет. И еще один поразительный факт. Когда на Землю доставили образцы лунного грунта, оказалось, что по составу и свойствам они почти идентичны кернам, которые были подняты на этой скважине с глубины 3-4 километра. Недаром профессор Е.А. Козловский, бывший тогда министром геологии СССР, сказал, что каждый пройденный метр Кольской – это открытие.

В 1992 году уже российское правительство отказалось финансировать дальнейшие работы. В 2008 году предприятие обанкротилось, а потом скважину задраили. На этом месте сейчас пустырь, заваленный металлоломом.


В 2005 году Япония построила специальный исследовательский корабль «Тикю» («Земля») для бурения на морском дне. По проекту с этого огромного корабля можно проводить бурение до глубины 10 километров. Сам корабль может постоянно находиться в одной точке, а толща воды под ним − достигать четырех километров. На борту судна оборудованы несколько лабораторий для 50 научных сотрудников.

«Тикю» совершил уже более десятка экспедиций, пробурил до сотни скважин. Работает он на юго-западном побережье Японии, как раз в Японско-Курило-Камчатской зоне субдукции, где океаническая кора оказывается под краем континента и погружается в мантию. В скважины разной длины устанавливаются датчики, чтобы следить за процессами в этой активной зоне, ловить предвестников землетрясений, цунами и извержений вулканов.

Именно на базе этого корабля развертывается теперь новый международный проект Mohole to Mantle. Если работа пойдет нормально, то к 2020 году мы сможем добраться до мантии, а может быть, и поднять на поверхность кусочек этой загадочной субстанции.