Нелинейные процессы: российский геолог — о прогнозировании землетрясений и глубинной структуре Земли

Основные представления о внутреннем строении Земли не меняются с начала прошлого века, однако учёные постоянно делают новые открытия, уточняя структуру и состав оболочек нашей планеты. Так, недавно науке стало известно, что внутреннее ядро Земли вращается под наклоном к оси вращения всей планеты. Кроме того, важным открытием стало обнаружение нового типа вулканизма, вызванного структурами в низах мантии Земли. Об этом в интервью RT рассказал доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, профессор геологического факультета МГУ, заместитель директора Института физики Земли РАН Роман Веселовский. Он также объяснил, как может повлиять на жизнь людей возможная смена магнитных полюсов планеты и почему извержение вулканов можно спрогнозировать не раньше чем за несколько дней.
— Роман Витальевич, что на сегодняшний день известно науке о глубинных структурах Земли, о скорости вращения ядра нашей планеты?

— Начну с того, что у Земли есть внешнее жидкое ядро и твёрдое внутреннее ядро. Учёным уже относительно давно было известно, что твёрдое ядро вращается быстрее, чем мантия планеты. Но скорость этого вращения — его называют супервращением — было очень сложно оценить, ведь внутреннее ядро начинается с глубины 2900 км.

Однако в одном из недавних исследований учёные из Южной Калифорнии использовали новые подходы для более точной оценки скорости вращения внутреннего ядра относительно внешней оболочки планеты. Удалось установить, что внутреннее ядро вращается на 0,1° в год быстрее, чем внешние оболочки, но самое важное, что они впервые определили ориентировку оси вращения ядра, которая раньше по умолчанию сопоставлялась с осью вращения Земли, а это оказалось не так: ось вращения ядра наклонена на 8° относительно оси вращения Земли.

— Как за последние годы менялись представления учёных о глубинной структуре земных недр?

— Основы современных представлений о внутреннем строении Земли были заложены в начале ХХ века, с развитием сейсмологии. Наиболее прорывные открытия в последнее время совершаются в понимании состава внутренних оболочек Земли в связи с активным развитием геохимии и петрологии, а также с появившимися возможностями численного и физического моделирования физико-химических условий в ядре и мантии Земли. Мы по-прежнему знаем, что есть верхняя и нижняя мантии Земли, внутреннее и внешнее ядра, однако в их структуре удаётся выделить новые области, которые ранее были неизвестны науке.

Извержение вулкана на Гавайях Gettyimages.ru © Alain Barbezat

Одним из самых интересных открытий последнего десятилетия я бы назвал обнаружение в низах мантии крупных неоднородных структур, с которыми связаны проявления вулканизма на поверхности Земли.

Если посмотреть внимательно на географическую карту, то можно увидеть, что в Тихом океане сосредоточено очень много вулканов — например, в районе Гавайских островов. На другой стороне Земли активный вулканизм присутствует на востоке Африки. Все эти многочисленные вулканы связаны с глубинными структурами, которые находятся в низах мантии, на глубине около 2700 км. Это явление называется внутриплитный магматизм, его источники находятся на границе мантии и ядра.

И этот вулканизм отличается от того вулканизма, который проявляется обычно на границах литосферных плит. Узнать это удалось благодаря развитию методов сейсмической томографии, которое произошло за последние 15—20 лет.

 — А есть ли вероятность, что в какой-то момент, с развитием научных знаний, вдруг выяснится, что строение Земли сильно отличается от наших современных представлений?

— Такая вероятность сохраняется всегда, потому что пока никто не спускался к земному ядру, чтобы изучить его. По мере совершенствования методов мы будем строить всё более точные и детальные модели. Но узнать достоверно, как именно выглядит глубинная структура нашей планеты, мы не сможем, пока не потрогаем её своими руками, образно говоря.

— Известно, что северный магнитный полюс Земли смещается на восток со скоростью примерно 55 км в год. Чем вызван этот процесс? Грозит ли Земле в обозримом будущем новая смена магнитных полюсов, как это уже бывало в истории планеты?

— Действительно, северный магнитный полюс Земли сейчас смещается быстрее, чем, например, ещё 20 лет назад. Однако это нормальное явление, поскольку магнитное поле Земли очень переменчиво и отражает процессы, происходящие во внешнем жидком ядре Земли. Также известно, что перед инверсией магнитного поля планеты скорость движения магнитных полюсов обычно увеличивалась. Это мы знаем из истории магнитного поля нашей планеты, изучением которого занимается наука палеомагнитология. Мы также хорошо знаем, что не каждый раз ускорение движения полюсов приводило к инверсии. Так чтоговорить однозначно, что началась инверсия магнитного поля, конечно, нельзя.

— А почему происходит это смещение?

— Дело в том, что магнитное поле Земли генерируется во внешнем жидком ядре. А поскольку изменение параметров жидкости происходят гораздо быстрее, чем в твёрдом теле, то магнитное поле тоже меняет свои характеристики очень быстро.

— Чем на практике смещение магнитного полюса Земли может обернуться для людей, если человечество ещё будет населять планету к этому моменту?

— Этот вопрос волнует очень многих. Считается, что обычно инверсия происходит на протяжении 2—5 тыс. лет. Хотя, согласно последним данным, этот процесс может завершиться и в течение сотен лет, что довольно быстро даже по меркам смены человеческих поколений. Во время этой смены полюсов напряжённость магнитного поля Земли падает, планета становится более уязвима перед космическим излучением, потоком космических частиц — солнечным ветром и галактическим излучением.

В связи с этим может вырасти уровень радиационного фона на поверхности Земли. Впрочем, паниковать не стоит, потому что эти отклонения всё же не носят критический для биосферы Земли характер. Например, радиационный фон может вырасти до того уровня, какой и сейчас фиксируется в приполярных областях планеты, где он выше, чем на экваторе. Так что трагическими последствиями для человечества инверсия полюсов не грозит. Разве что радиосвязь будет работать с помехами, как во время магнитных бурь.

— Насколько помогают исследовать недра планеты сверхглубокие скважины? Например, в 2012 году на Сахалине была пробурена скважина Чайво Z-44, которая превзошла по протяжённости даже Кольскую сверхглубокую скважину. Какие данные удаётся собрать с помощью таких скважин?

— Скважина Чайво Z-44 была пробурена в рамках разработки месторождений углеводородов. Её глубина составляет только 1500 м, а вот протяжённость действительно самая большая на Земле — 15 тыс. метров. Эта скважина —горизонтальная. Поэтому в плане изучения земных недр, насколько мне известно, она не сыграла большой роли. А вот Кольская сверхглубокая действительно оказалась крайне важна для понимания строения верхних оболочек Земли, земной коры. То, что увидели исследователи, когда поднимали материал из этой скважины, порой коренным образом отличалось от существовавших на тот момент научных моделей и представлений.

Сегодня скважины, аналогичные Кольской сверхглубокой, не бурят — всё упирается в стоимость подобных проектов. Они не смогут окупиться, поскольку требуют очень дорогостоящего промышленного оборудования.

Кольская сверхглубокая скважина РИА Новости © А. Варфоломеев

— Тоньше всего кора Земли под океаном, в районе 3—7 км. Насколько реально добраться до земной мантии, если пробурить скважину в океаническом дне?

— Вообще, мы и так знаем, как выглядит мантия Земли, её можно даже потрогать руками, если поехать на Урал или на Кипр, например. В этих районах есть геологические образования — офиолиты. По сути, это океаническая кора Земли, надвинутая в своё время на сушу. В офиолитах можно наблюдать породы мантии, которые когда-то находились на глубине 5—8 км. Поэтому учёные имеют хорошее представление о том, из чего состоят верхние горизонты мантии нашей планеты.

Отмечу, что если бурить там, где самая тонкая кора — на дне океана, то там мы столкнёмся с самым большим геотермическим градиентом. Это означает, что по мере углубления в скважину температура будет быстро расти. Хотя проекты по бурению на океанических глубинах есть, они не направлены на создание очень глубоких скважин. Интерес представляют геологические отложения, которые можно найти на большой глубине — например, в Марианской впадине.

— Геотермальная энергетика — использование температур недр планеты для получения электроэнергии хотя и существует в некоторых странах, но в целом развивается не очень активно. Почему?

— Геотермальная энергетика используется в тех регионах, где это целесообразно. Например, много геотермальных станций действует в Исландии, есть такие станции и на Камчатке. Однако нужно понимать, что не везде геотермальная энергия доступна для использования. Геотермический градиент везде отличается. Например, если мы пробурим для получения энергии скважину в Москве, то температура в ней будет расти со скоростью в 10 °C на км. Это означает, что для того, чтобы просто вскипятить воду, нам придётся пробурить скважину глубиной 10 км. Зато на Камчатке температура растёт примерно по 50—70 °C на км. И чтобы нагреть воду до состояния кипения, нам нужно бурить лишь чуть больше километра — это уже выгодно и целесообразно.

Гейзер Gettyimages.ru © Mint Images

— Действительно ли такие работы могут провоцировать землетрясения? Если да, то не относится ли это в равной мере и к добыче газа и нефти методом гидроразрыва пласта?

— Насколько мне известно, спровоцировать крупные землетрясения, применяя метод гидроразрыва пласта или же путём бурения скважин, невозможно. Дело в том, что крупные землетрясения вызываются только движением литосферных плит, тектоническим явлениями. К счастью, вызвать их искусственно человек не способен. Хотя небольшие колебания верхних горизонтов земной коры гидроразрыв пласта действительно может вызвать, но здесь речь идёт о такой активности, которую могут зафиксировать только сейсмометры, но человек вряд ли сможет её заметить.

— Существует гипотеза, согласно которой на сейсмическую активность Земли, а также другие геологические процессы может влиять солнечная активность, вспышки на Солнце. Находит ли эта теория подтверждение?

— Что касается вспышек на Солнце, то сомневаюсь, что они могут как-то воздействовать на земную сейсмическую активность. Однако гравитационное взаимодействие Земли с другими космическими телами, включая Солнце, такое влияние оказывать может. Конечно, сегодня это воздействие не очень сильное и вряд ли может быть основной причиной землетрясений и вулканической активности. Однако следует напомнить, что, когда Луна проходит рядом с нашей планетой, поднимается не только уровень воды в океане, но также и суши на несколько сантиметров. А четыре миллиарда лет назад, когда Луна находилась ближе к Земле, этот приливной горб земной тверди составлял несколько километров.

— Исходит ли от супервулканов, таких как Йеллоустон, реальная угроза для человечества?

— Конечно, извержение супервулканов очень опасно, поскольку приведёт не только к гибели многих живых организмов, но также изменит климат Земли. Результатом станет или похолодание, или, наоборот, усиление парникового эффекта и потепление. К счастью, такие извержения случаются крайне редко, так что у человечества есть шансы не застать подобную катастрофу.

Йеллоустонский национальный парк, США Gettyimages.ru © Dukas / Christian Heeb / Universal Images Group

— Насколько точно в наше время можно спрогнозировать извержение как обычных вулканов, так и супервулканов? Есть ли риск, что извержение застанет людей врасплох? Как продвинулись методы прогнозирования извержений и землетрясений за последние годы и десятилетия?

— Если говорить, к примеру, о Йеллоустоунском супервулкане, то он и сейчас живой, в его районе существует много проявлений термальной активности. Вулканическая активность продолжается, хотя и в затихшем формате. А когда произойдёт новое суперизвержение — этого никто не знает. Более-менее достоверным может быть только краткосрочный прогноз, когда магма уже будет передвигаться в земной коре. Такой прогноз можно сделать за несколько часов, может быть, дней до того, как магма начнёт выходить на поверхность. Этого может оказаться достаточно, чтобы эвакуировать людей из окрестностей вулкана. Но все вулканы разные, поэтому было бы неправильно говорить так обо всех вулканах.

Предсказать извержение за месяц, даже за две недели невозможно с высокой точностью. Как и в случае с погодными прогнозами, в этом случае мы имеем дело с нелинейными процессами, которые сложно моделировать.

Разумеется, учёные работают над тем, чтобы делать эти прогнозы более долгосрочными и точными. Совершенствуются методики, аппаратура, а кроме того, мы всё больше узнаём о прошлом Земли. И это даёт науке более надёжный фундамент для построения таких прогнозов.