Под покровом мантии

Следствием давления, температуры, пористости и проницаемости горных пород являются, как мы видели, их пластичность, упругость и прочность. Все это мы можем получить в специальных лабораториях, которые занимаются изучением поведения горных пород при огромных давлениях и высоких температурах.

В одной из своих корреспонденций директор лаборатории физики сверхвысоких давлений Академии наук СССР профессор Л. Ф. Верещагин говорил: когда подвергли большим давлениям различные металлы и породы, то столкнулись с преобразованием их первичных качеств. Например, чугун, каменная соль, мрамор, помещенные в жидкость, сжатую до 20–25 тысяч атмосфер, претерпели удивительные изменения. Они становились пластичными и приобрели какую-то особую сверхпрочность.

Но при попытках воспроизвести свойства пород в условиях мантии мы сталкиваемся с многими трудностями. Ведь там все, даже хорошо изученные породы находятся в среде, которая нам не известна. А о том, какую роль она может играть, хорошо свидетельствуют опыты, произведенные с каменной солью. Оказывается, каменная соль растекается уже при сравнительно небольших давлениях. Если приложить к ней усилие в 40–80 килограммов на квадратный сантиметр, то она может быть вдавлена в узкую щель в стальной плите.

Но если чуть-чуть подогреть каменную соль, предположим, до 200–300 градусов, то она продавливается через это же отверстие при давлении вдвое меньшем, чем в предыдущем опыте.

Еще более поразителен эффект, который получается, если эту щель в стальной плите окантовать плавленым гипсом или плавленой солью… Через такое отверстие можно продавить каменную соль даже при давлении в два-три килограмма на квадратный сантиметр, то есть необходимо усилие еще в 10–15 раз меньшее.

Но геологические наблюдения над поведением мрамора и кварцита, о которых мы говорили выше, противоречат лабораторным опытам. В природных условиях кварцит обладает более легкой способностью к пластической деформации, чем мрамор, а в лабораторных условиях требуются меньшие усилия для того, чтобы вызвать пластическую деформацию в мраморе.

Загадка? Пока да. И таких загадок тысячи. Исследователям постоянно приходится решать уравнения со многими неизвестными. Но не будем отчаиваться. Сейчас человек создал себе могучего помощника — электронную счетно-вычислительную машину, и она уже верно служит геологам, помогая решать прежде совершенно неразрешимые задачи.

Счетно-вычислительные устройства позволяют нам максимально точно учесть все процессы, которые происходят в земной коре или мантии.

Мы сможем практически рассчитать, как выглядит мантия Земли. От результатов расчета условий прочности, плотности, упругости горных пород будет зависеть и выбор технического оборудования, а также сама конструкция бурильных аппаратов.

Счетно-решающая машина поможет найти ответ на вопрос о том, какие металлы или искусственные пластмассы необходимы для создания бурильных труб. Машина подскажет, что для закрепления стенок скважин надо создавать своеобразные породы с определенными свойствами. Может быть, это будут преобразованные породы, пройденные буровой скважиной. А возможно, придется разработать электрохимический способ закрепления стенок скважин. Расчетные данные дадут ответ и на вопрос о том, каким должен быть диаметр скважин.

В районе города Тотьмы мне пришлось видеть скважину и закрепляющие ее обсадные трубы XV столетия. Начальный диаметр скважины достигал 60 сантиметров, конечный диаметр, на глубине 250 метров от поверхности, суживался до 30 сантиметров. Скважина была обсажена трубами из долбленых крепких деревьев, обернутых просмоленным холстом. Для того времени скважина была чудом техники.

Такой же, по сути, тип конструкции скважин мы применяем и в настоящее время.

Расчеты показывают, что начальный диаметр сверхглубокой скважины может быть около двух метров. Такая скважина, постепенно теряя диаметры, на глубине 15–18 километров сузится до 13–15 сантиметров. Счетно-решающие устройства будут рассчитывать прочность оборудования. Для того чтобы сказать, как поведут себя на глубине трубы, сделанные из сплава железа с титаном или из каких-либо других металлов, чтобы узнать, как они будут растягиваться или сжиматься при подъеме и спуске снаряда, нужно решить десятки, сотни и, может быть, тысячи разнообразных задач. Решения будут различными в зависимости от того, как мы будем представлять условия, которые встретятся под земной корой.

Современная наука позволяет нам учесть все эти условия, и сверхглубокие скважины мы будем бурить не вслепую. Мы войдем в глубины недр во всеоружии нашей техники, войдем как повелители стихий, еще недавно считавшихся таинственными и неукротимыми.

И здесь синтез

Как известно, в настоящее время происходит процесс резкой дифференциации наук. Появляются новые науки и научные направления. В геологии уже выделилось свыше 120 новых наук, и этот процесс еще продолжается. Уже невозможно быть специалистом-геологом вообще. Самых разнообразных направлений так много, что каждый геолог, практически говоря, становится узким специалистом в какой-либо одной области. Но происходит и прямо противоположный процесс, и недаром многие новые науки рождаются на стыке двух-трех старых.

Как быть при бурении сверхглубоких скважин? Ведь там возникает тысяча разнообразных вопросов, решение которых не под силу узким специалистам. Не приходится доказывать, что обслуживать каждую из таких скважин будут сотни лиц разнообразных специальностей. Здесь, как в фокусе, будут сосредоточены мысли и чаяния разных ученых. Скважина объединит интересы представителей, на первый взгляд ничем между собой не связанных направлений. Конечно, полностью о синтезе наук каждой сверхглубокой скважины рассказать невозможно. Об этом еще будет написано много книг, но некоторые направления видны уже сейчас.

Я представляю себе такую картину. С глубины 10–12 километров, предположим, скважины Кольского полуострова, будет добыт кусок горной породы. Его немедленно разделят между собой в первую очередь петрографы — люди, занимающиеся изучением, или, точнее, описанием, горных пород; геохимики, которые выявляют условия происхождения пород; минералоги, занимающиеся описанием и определением минералов, слагающих горные породы.

Можно предположить, что петрографы, минералоги и геохимики скажут, что с этой глубины мы подняли породу, называемую эклогитом. В описании будет указано, что такие породы образуются, как правило, либо на очень больших глубинах, либо в условиях высоких температур. Эклогиты, добавят минералоги, представляют довольно неплохо раскристаллизованную породу, в которой отчетливо видны ярко-красные кристаллы гранатов, сочетающихся с зелеными пироксенами, иногда между ними можно видеть также голубой или густо-синий дистен.

Есть много гипотез о строении внутренних зон Земли. По одной из них на глубине должен быть широко распространен минерал оливин, возникший при обеднении пород кремнеземом. Некоторые исследователи выделяют под земной корой целый оливиновый пояс (вспомните «Гиперболоид инженера Гарина», вся геология которого подсказана академиком Ферсманом).

Другие утверждают, что базальты под большим давлением переходят в эклогиты. Чем больше давление — тем крупнее кристаллы.

С эклогитами связано очень много проблем, пока еще далеко не ясных. Там, где мы находим эту удивительную породу, иногда вместе с ней встречаются алмазы. В связи с этим в изучении эклогитов примут участие специалисты по полезным ископаемым.

Академик В. Соболев рассказывает, что в двух случаях в эклогитах Южной Африки и Якутии оказались не только куски гранатов и пироксенов, но и кристаллы алмазов. Они были найдены в обломках в древних вулканических жерлах. По мнению магматистов, это доказательство, что алмазоносные породы — продукты высокой температуры и очень большого давления. Вот почему к изучению породы подключатся исследователи, работающие в области синтеза вещества.

Известно, что искусственные алмазы и в нашей стране и в США изготовляются при давлении около ста тысяч атмосфер и температурах в две-три тысячи градусов. Почти все исследователи считают, что алмазы — это продукты мантии Земли, в которой естественным образом сочетаются эти условия. Здесь спор о происхождении изучаемой породы перейдет к тектонистам, изучающим строение Земли и земной коры.