05.07.2012. - Учёные готовят путешествие к земной мантии

Учёные готовят путешествие к земной мантии

04 июля 2012 года, 17:47 | Текст: Дмитрий Целиков

С помощью японского судна для глубоководного бурения «Тикю» исследователи готовятся добраться до разлома, который вызвал разрушительное землетрясение Тохоку в прошлом году.

Учёные собираются дойти аж до мантии, чего ещё никому не удавалось.

Если проект получит зелёный свет, это будет одно из самых выдающихся достижений науки, сопоставимое с полётом на Луну. Полученные данные могут перевернуть представления об эволюции и строении Земли. Существует даже вероятность того, что мы найдём нечто непредвиденное.

Геологам не в первый раз захотелось добраться до глубин планеты. В 1909 году хорватский метеоролог Андрий Мохоровичич обнаружил, что сейсмические волны, вызванные землетрясениями, распространяются значительно быстрее в слоях, расположенных ниже 30 км, чем в более верхних. Это говорит об ином составе и иных физических свойствах пород на такой глубине. Рубеж получил имя первооткрывателя и с тех пор считается верхней границей мантии.

Теперь геологам известно, что верхняя часть мантии залегает в 30–60 км под поверхностью, а на некоторых участках морского дна — всего в 5 км. Процессы, происходящие там, двигают литосферные платформы, развязывают землетрясения и создают вулканы.

Следующий шаг на пути к мантии был сделан в конце 1950-х. В то время теория тектоники плит всё ещё находилась в жаркой дискуссионной стадии. Гарри Гесс и другие её сторонники утверждали, что горячие конвективные потоки из глубин мантии управляют движением тектонических плит по поверхности планеты. Поскольку требовались фактические доказательства, Гесс и его коллега Уолтер Мунк обратились к своим приятелям из Национальной академии наук США. Так в апреле 1957 года родился проект Mohole. Легенда гласит, что это произошло в солнечной Калифорнии за завтраком с обильными винными возлияниями. Мол, по-другому заседания так называемого Американского общества всякой всячины не проходили.

Энтузиастам пришлось решать множество проблем — от поиска средств до изобретения технологии, позволяющей удерживать буровое судно на одном месте в открытом море. Увы, последнюю нельзя было заимствовать у нефтяников, поскольку те в то время ещё не бурили в глубоких водах. Поэтому была разработана методика динамического позиционирования, которая подразумевает ловко размещённые по всему судну винты и двигатели. Первый керн был получен с глубины 183 м у берегов карибского острова Гваделупа в апреле 1961 года. Он же стал последним.

Вскоре после возвращения экспедиции ведущие учёные были оттёрты от управления проектом, финансирование пошло по нисходящей, и некий молодой политик по имени Дональд Рамсфелд добился того, что в 1966 году конгресс проголосовал большим пальцем вниз.

Но геологи не сдавались, на смену павшим вставали другие, и бурение океанической коры продолжалось. Тем не менее никому ещё не удавалось пройти более трети пути к мантии. Рекорд удерживает 1507-метровая скважина на побережье Коста-Рики. Это не самая глубокая дыра (даже в океанической коре), но именно в этом месте учёные оказались к мантии ближе всего: толщина коры там всего 5,5 км.

Что касается нового проекта, получившего название Mohole to Mantle, то у него есть чёткое научное обоснование. Хотя на мантию приходится 68% массы Земли, мы очень мало знаем о ней. «У нас нет ни одного чистого образца мантии», — подчёркивает участник коллаборации Деймон Тигл из Национального океанографического центра Великобритании.

Некоторые образцы достигают поверхности, но все они загрязнены. Например, редкие мантийные конкреции, встречающиеся в лаве, говорят о том, что мантия состоит из минералов, богатых магнием и бедных кремнием (оливина, пироксена и др.). Кое-где на дне океана породы, которые когда-то были частью мантии, обнажены, однако при контакте с морской водой они сильно изменили свой состав. Разница примерно та же, что между марсианскими метеоритами и непосредственными пробами пород Красной планеты. А без чистых образцов невозможно подтвердить даже простые факты вроде состава мантии, способов её формирования и т. д.

Приходится строить теории на косвенных доказательствах. Например, можно отслеживать скорость сейсмических волн, как это делал Мохоровичич. Кроме того, есть метеориты, выкованные из того же космического мусора, что и наши скалистые планеты. Имеются и более экзотические методы вроде наблюдений за нейтрино, которые образуются при распаде некоторых элементов.

В результате многие вопросы остаются без ответа. Лишь в том случае, если в руки учёных попадут индикаторы мантийной конвекции (например, благородные газы и соответствующие изотопы), можно будет выяснить, как и когда наша планета разделилась на ядро, мантию и кору и когда началась тектоника плит. Состав верхней мантии показал бы, как вода, углекислый газ и энергия передаются в кору и как они влияют на глобальные геохимические циклы. Если бы удалось разобраться, насколько мантия гетерогенна, стало бы понятно, как магма поднимается, а затем извергается в срединно-океанических хребтах.

Пожалуй, в мантии можно найти и жизнь. Конечно, это будут не жюльверновские монстры, но значимость открытия от этого не убавится. И, кстати, подобные экстремофилы не так уж невозможны.

В прошлом году Таллис Онстотт из Принстонского университета (США) обнаружил микроскопических круглых червей (нематод) на глубине 4 км в южноафриканской золотой шахте. Он же выяснил, что одноклеточные микробы живут на ещё большей глубине — до 5 км.

Под морским дном микроорганизмы найдены на глубине 1,6 км близ восточного побережья Канады. Исследователи предположили, что им сотни миллионов лет, ибо они вроде бы делятся раз в сто тысяч лет.

Высокое давление на больших глубинах не проблема для многих экстремофилов. Лабораторные испытания показали, что микробы способны переносить тысячу атмосфер. Бактерии обнаружены и в Марианской впадине, под 11-километровой толщей воды. Кстати, давление в чрезвычайно горячей среде даже полезно, поскольку не позволяет воде кипеть.

Таким образом, решающим фактором может быть температура. Чуть ниже границы Мохоровичича она достигает, по некоторым оценкам, 120 ?С. «Это соблазнительно близко к верхнему пределу известных форм жизни — 122?», — отмечает Джон Паркс из Кардиффского университета (Великобритания).

Тем не менее Мэтт Шренк из Университета Восточной Каролины (США) считает, что шансы найти мантийную жизнь невелики. Циркуляция жидкости там весьма ограничена, а потому приток питательных веществ очень мал.

Несмотря на свои сомнения, г-н Шренк поддерживает проект Mohole to Mantle, ибо он поможет определить физиологические пределы жизни и даже изучить изменения климата, поскольку биосфера способна повлиять на глубокую часть углеродного цикла. Тамошняя жизнь может также оказаться полезной в медицине, поскольку местные организмы могут обладать уникальными ферментами или осуществлять невиданные на поверхности биологические процессы.

Образцы мантии распутают также загадки, касающиеся роли микробной жизни в эволюции планеты. Недавнее исследование геофизика Нормана Слипа из Стэнфордского университета (США) показало, что жизнь способна углубляться в кору, а её продукты (например, аммоний) могут просачиваться ещё ниже. По сути, весь азот в мантии произошёл от аммония, выработанного органикой. Это повышает вероятность того, что жизнь на заре земной истории изменила состав мантии и что образцы, позволяющие изучить тот период, всё ещё находятся там.

Но вернёмся к технической части проекта. Г-н Тигл сравнивает бурение шестикилометровой скважины в Тихом океане с опусканием стальной нити толщиной с человеческий волос в бассейн двухметровой глубины, после чего проволочкой надо будет продолбить фундамент ещё на три метра. Проще говоря, придётся изготовить бур, какого ещё не было на свете.

И дело не только в длине, но и в материале сверла. При бурении отверстия диаметром 30 см в твёрдых магматических породах со скоростью 1 м/ч головка живёт лишь около 50 часов. А зубцы могут сточиться ещё быстрее. Новый сверхтвёрдый материал должен будет также выдерживать давление в 2 кбар и температуру до 250 ?C.

К счастью, доклад, выпущенный в 2011 году фирмой Blade Energy, говорит о том, что проект технически осуществим. «Обычно бывает наоборот, — говорит г-н Тигл. — Инженер что-то изобретает и затем интересуется, пригодится ли это учёным. А в последнее время наука бежит впереди технологий».

Ещё одна проблема — финансирование. Денег требуется столько, что без политической воли не обойтись. Одна только работа судна «Тикю» обойдётся в $1 млрд. Правительство Японии взяло на себя львиную долю расходов, ведь проект в конечном итоге может помочь в прогнозировании землетрясений. Другие страны тоже выразили заинтересованность.

Если все финансовые вопросы будут решены в следующем году, учёные надеются добраться до мантии в течение десятилетия. Предстоит, кстати, выбрать одну из трёх площадок. Все они находятся в Тихом океане (один из кандидатов — как раз то место, где бурили предшественники из проекта Mohole), и каждый расположен относительно близко к срединно-океаническим хребтам, где формируется новая кора. Поднятие магмы приводит к повышению морского дна, поэтому там относительно мелко. Кроме того, породы там сравнительно холодные. Наконец, кора образуется весьма быстро — а значит, она довольно однородна, что тоже облегчает задачу.

http://science.compulenta.ru/691841/