Орленок В.В. История океанизации Земли

Подождите немного. Документ загружается.

уплотнялись и в ходе физико-химических реакций с выносимыми из

недр горящими газами и минерализованными растворами постепенно

превращались в гранитную оболочку планеты Таким образом, эта

оболочка является закономерным продуктом эволюции вещества зем-

ных недр, характерной и неповторимой чертой строения нашей плане-

ты, отсутствующей, как мы увидим далее, на других планетах. Вода -

это дальнейший, высший этап эволюции, для наступления которого

существование на планете гранитной (кислородно-силикатной) обо-

лочки является, как оказывается, первым и необходимым условием

Иными словами, без гранитной коры на Земле не было бы воды

Таким образом, земная кора континентов и опустившихся областей

океанов по своему строению и составу в пределах верхних 30 - 35 км

одинакова на всей планете

Отсюда все, что мы знаем о закономерностях размещения многих

видов полезных ископаемых на суше, в значительной степени может

быть перенесено и в океан В этом плане наиболее перспективными в

отношении многих видов полиметаллических руд являются древние

подводные возвышенности По нашему убеждению, многие из них -

это потенциальные Уралы Нужно только научиться их разведывать и

разрабатывать в подводных условиях

4.2. Новый взгляд на физические поля океанов

После окончания второй мировой войны некоторые боевые кораб-

ли-тральщики, морские охотники, даже подводные лодки в разных

странах были переоборудованы в научно-исследовательские суда На-

чалось беспрецедентное по масштабам изучение морского дна и его

глубинного строения Для этой цели в первые послевоенные 10-15

лет широко применялись глубинные бомбы весом до 140 кг и неболь-

шие тротиловые заряды от 1 до 5 кг Взрыв такого заряда генерирует

ударную сейсмическую волну, которая, проникая глубоко под морское

дно, после отражения и преломления на границах различных слоев,

возвращается назад и регистрируется гидрофонами, спущенными с

борта судна в воду (рис. 16) Поскольку осадочные, гранитные и ба-

зальтовые породы имеют различную плотность, то скорость прохож-

дения сейсмических упругих волн через эти слои будет различна На-

пример, в базальтовых породах волны проскакивают с очень большой

скоростью, равной 6,5 - 7,0 км/с. В гранитах она меньше - 5,5 -

6,2 км/с. В осадках скорость меняется в зависимости от их состава и

111

Рис. 16. Схема проведения сейсмических измерений в океане

глубины залегания. В донных осадках сейсмическая скорость волны

обычно меньше, чем в морской воде, - 1,4 - 1,5 км/с Но с глубиной,

вследствие уплотнения осадков, скорость возрастает до 3,4 км/с и бо-

лее

Сейсмические методы исследования на суше начали применяться с

30-х годов нашего столетия. С их помощью разведаны почти все из-

вестные здесь месторождения нефти и газа Поэтому до 60-х годов ос-

новная часть сейсмических работ на континентах была направлена на

изучение строения осадочного покрова платформ и предгорных про-

гибов, где, по прогнозам, сосредоточены основные запасы нефтегазо-

вых месторождений мира. Строение подстилающего осадки гранитно-

метаморфического фундамента почти не изучалось, а если где-то и

проводились работы, то они не имели систематического характера

В 1909 г. югославский сейсмолог Андрей Мохоровичич установил

по анализу волн от Загребского землетрясения на глубине около 40 км

резкий скачок скорости сейсмических волн с 7,2 до 8,2 км/с С тех пор

эта граница подтвердилась многими другими наблюдениями на конти-

нентах и была принята за подошву земной коры. Считается, что под

ней залегает мантия Земли На континентах граница Мохоровичича

обычно регистрируется на расстоянии 150 -200 км от пункта, где про-

изводится взрыв мощного, весом несколько тонн заряда тротила

Дело в том, что сейсмические волны распространяются в земной

коре не по прямым направлениям, а по плавным траекториям

(рис. 17). Чем больше расстояние между пунктами взрыва и приема,

112

тем более глубинные волны удается зарегистрировать. В природе ре-

гистрируются обычно два типа волн - отраженные от границ раздела и

преломленные, или, точнее, рефрагированные, т.е. те волны, что рас-

пространяются по плавным траекториям, показанным на рис. 17.

Рис. 17. Лучи и годографы рефрагированных сейсмических волн

и формирование зоны сейсмической тени при наличии

высокоскоростного промежуточного слоя

Таким образом, чтобы определить мощность земной коры, необхо-

димо взорвать заряд в несколько тонн взрывчатки, а принимать воз-

бужденные колебания на расстоянии не менее 150 - 200 км от пункта

взрыва. Слабые взрывы дают быстро затухающие колебания, которые

угаснут, не дойдя до пункта регистрации Работы эти очень сложные и

дорогие Поэтому подобных наблюдений на суше сделано сравнитель-

но немного.

113

Другое дело в океане. Здесь не надо рыть специальных шурфов и

бурить скважины для взрывчатки, нет здесь зыбких песков и обвод-

ненных пород, которые сильно поглощают энергию взрыва Бомба ве-

сом 140 кг при подрыве ее на глубине 90 м дает тот же эффект, что 3

тонны тротила при работах на суше. Оперативность и экономичность

сейсмических работ на море оказалась значительно эффективней, чем

на суше По этой причине за сравнительно короткий срок американ-

ским и английским геофизикам удалось провести большой объем

сейсмических исследований по глубинному зондированию коры под

океанами.

Первые наблюдения были выполнены известными американскими

сейсмологами Морисом Юингом и Френсисом Прессом в 1949 г. в Ат-

лантическом океане между восточной окраиной США и Бермудскими

островами. Максимальное расстояние между пунктами взрыва и на-

блюдения не превышало 62 км. Под слоем осадков были обнаружены

породы, в которых сейсмические волны распространялись со скоро-

стью 7,5 км/с. Исследователи назвали их породами фундамента

(basement rocks) и констатировали отсутствие гранитного слоя. Позже

(в 1952 г.) эти материалы были вновь пересмотрены, и в породах фун-

дамента вместо одного слоя со скоростью 7,5 км/с было выделено два

слоя - верхний со скоростью 7,05 км/с и нижний - 7,8 км/с. Граница,

разделяющая эти слои (7,8 км/с), была отождествлена с границей Mo-

хоровичича, хотя лежала она на глубине всего 4,16 км ниже дна при

общей глубине океана в данном районе около 5 км

Полученные результаты послужили основой для широкого утвер-

ждения идеи о принципиальном отличии океанической коры от кон-

тинентальной Очень скоро последовали и другие сейсмические изме-

рения в различных районах океана, которые интерпретировались в ду-

хе исключительности строения океанической коры Американский

геофизик P B Райт в 1963 г на основании этих и других данных пред-

ложил типовую сейсмическую модель «океанической» коры, состоя-

щую из 5 км воды, 1 км осадков, подстилаемых переходным слоем,

сложенным вулканогенными породами со скоростью 5 км/с и мощно-

стью около 2 км Ниже, по его мнению, должен был залегать

«океанический» слой мощностью около 5 км и скоростью сейсмиче-

ских волн около 7,0 км/с. Таким образом, по Райту, мощность коры

под океанами составляет всего 7 км, а граница Мохоровичича (8,23

км/с) лежит на глубине 10 - 12 км от уровня моря Гранитный слой, по

мнению американских геофизиков, под океанами отсутствует И в

114

этом заключается главное отличие (наряду с малой мощностью коры)

океанической коры от континентальной Напомним, что средняя тол-

щина последней равна 33 км, т.е. почти в 5 раз больше мощности

твердой океанической коры Кроме того, в континентальной коре под

осадками залегает мощный гранитно-метаморфический слой (до 15 -

20 км), подстилаемый базальтовым слоем примерно такой же мощно-

сти.

В более поздних работах полученные выводы уточнялись, но

принципиально не изменялись Разделение земной коры на два типа -

океаническую и континентальную - остается доминирующим и в со-

временной литературе. На базе этих представлений за последние три

десятилетия было создано немало гипотез, способных объяснить фе-

номен «океанической» коры. Обширная литература посвящена этой

проблеме, однако общеприемлемого решения на данной основе до сих

пор не найдено

В последние годы все более отчетливо стала видна нереальность

сейсмической модели океанической коры Райта, ее несогласованность

с поступающими новыми фактами, и особенно с рассмотренными вы-

ше геологическими данными Необходимость разрешения возникших

противоречий заставила автора обратиться к изучению первоисточни-

ков по сейсмическим работам, на основе которых утвердились совре-

менные представления об уникальности коры океанов

В результате проделанной работы выяснилось, что подавляющее

большинство сейсмических измерений в океане (около 98%) выполне-

но на коротких базах наблюдения (20 - 50 км), что позволяет осветить

разрез коры на глубину не более 6-12 км. В то же время для получе-

ния уверенных данных о мощности коры система наблюдений должна

иметь длину не менее 150 - 200 км Таких наблюдений в океане на се-

годняшний день выполнено всего 2% от общего объема работ Таким

образом, как в первых океанских сейсмических наблюдениях M Юин-

га, Ф Пресса и др., так и в последующих из-за несовершенства мето-

дики наблюдений полученные выводы о существовании «тонкой»

океанической коры не были обоснованы со всей научной строгостью

Сегодня это становятся особенно ясным Видимо, на формирование

такого подхода к первым полученным материалам о сейсмической

структуре коры океанов в немалой мере повлияли аналогичные идеи

выдающихся геофизиков того времени - Б Гутенберга и Ч Рихтера,

высказанные ими еще в 1939 г Анализируя особенности распростра-

нения волн от землетрясений, эти исследователи обнаружили измене-

115

ние их скорости и интенсивности при прохождении под Арктическим

бассейном и Тихим океаном На этом основании они высказали пред-

положение, что породы, которые залегают под границей Мохоровичи-

ча на континентах на глубине 33 км, в океанах должны лежать близ

поверхности дна.

Однако с развитием теории сейсмических волн и этот вывод сего-

дня нуждается в существенном уточнении.

Ленинградский геофизик H K Булин, тщательно изучив многие

сейсмические разрезы зарубежных авторов, показал, что океаническая

кора имеет более сложное строение, а мощность ее не меньше, чем

мощность континентальной. Это подтверждается на пока еще немно-

гочисленных протяженных системах наблюдений, превышающих дли-

ну 200 км. Ниже выделенной M Юингом и другими исследователями

границы 7,5 - 7,8 км/с были обнаружены другие границы раздела - как

с меньшей, так и с большей скоростью В ряде случаев, как показала

советский геофизик EA Старшинова, высокоскоростная граница

Юинга оказывалась не подошвой океанической коры, а тонким про-

пластком, под которым залегали породы с более низкими сейсмиче-

скими скоростями 6,2 - 6,5 км/с

Если под осадками и вулканогенными базальтовыми лавами на дне

океанов залегают обедненные кремнеземом плотные и тяжелые ульт-

раосновные породы, а не гранитно-метаморфические комплексы, как

на континентах, то по сейсмическим скоростям они должны резко от-

личаться от фундамента осадочного чехла материков Для решения

этого вопроса автор изучил несколько сот морских и сухопутных

сейсмических измерений. В результате оказалось, что в океаническом

фундаменте Райта и в гранитно-метаморфических породах континен-

тальных щитов и платформ наблюдаются одни и те же сейсмические

скорости: 6,0 - 6,2, 6,5 - 6,8 и 7,0 - 7,4 км/с (рис. 18) Следовательно,

как океанический, так и материковый фундаменты сложены неодно-

родными по составу породами. С другой стороны, налицо удивитель-

ное сходство их сейсмической структуры.

Из приведенного можно заключить, что океаническая кора, по

сейсмическим данным (вопреки распространенным представлениям),

не имеет принципиальных отличий от континентальной коры Корот-

кие системы наблюдений, отсутствие сравнений морских наблюдений

с сухопутными и полное игнорирование материалов по геологическо-

му строению и привели в итоге к неверной интерпретации как первых,

116

300-

260-

220-

teo

HO-

Wt-

60-

го-

40-

20-

40-

20-

—I—

5,«г

S,0

—I—

6,4

7,0

ZOI/C Sfi

6,2

-1 »•»

e,e км/с

Рис. 18. Гистограммы сейсмических скоростей в породах фундамента конти-

нентальных (а) и океанических (б) областей; в - подводные возвышенности; г-

котловины; д - шельф (по Орленку, 1985)

117

так и последующих сейсмических измерений По детальности, точно-

сти и протяженности эти системы до сих пор уступают сухопутным

измерениям Массовое же применение в последние десятилетия сла-

бых невзрывных источников возбуждения сейсмических волн привело

к почти полному исчезновению длинных годографов и ограничило

дальность регистрации 25 - 50 км А этого совершенно недостаточно

для освещения разреза на глубины свыше 10 -12 км Иными словами,

до подошвы коры в океанах до сих пор «недостреливают».

Одной из причин упорного нежелания геофизиков отказаться от

применяемой ими на протяжении уже более 30 лет методики наблю-

дений на коротких профилях является, по-видимому, следующее Во-

первых, большая сложность технического исполнения измерений на

сверхдлинных профилях. Для этого вместо одного судна необходимо

иметь несколько крупных судов, которые расставляются на некотором

расстоянии друг от друга вдоль профиля наблюдений. Для возбужде-

ния мощных сейсмических колебаний, способных проникнуть на глу-

бину свыше 35 км, необходимо использовать заряды весом от не-

скольких десятков килограммов до нескольких тонн Это наносит ог-

ромный ущерб ихтиофауне океана. Кроме того, для обеспечения

приема слабых колебаний на расстояниях свыше 150 км необходимо

выбирать соответствующие спокойные погодные условия, в идеаль-

ном случае - штилевые Однако такая гидрометеобстановка на протя-

жении нескольких суток подряд редко бывает в океане. Все это сильно

затрудняет проведение нужного сейсмического эксперимента, делает

его очень дорогим. Тем не менее такие попытки предпринимались в

ряде стран - СССР, США, Японии и др Можно надеяться, что скоро

будут получены надежные результаты, которые подтвердят наши вы-

воды о принципиальном сходстве сейсмической структуры коры океа-

нов и континентов

Возникает вопрос: почему несмотря на явные противоречия с гео-

логией, геофизики по-прежнему придерживаются мнения о существо-

вании тонкой безгранитной океанской коры?

С 1983 г автором совместно с академиком И И Чебаненко была

опубликована работа, в которой наряду с прочими вопросами был рас-

смотрен и этот.

В частности, было показано, что при наличии в земной коре тонко-

го высокоскоростного слоя, залегающего неглубоко подо дном океана,

при определенных условиях наблюдений его действительно можно

принять за границу Мохоровичича, т.е. за подошву коры Это возмож-

118

но при слабых невзрывных источниках, применяемых в настоящее

время в массовом масштабе в океанских сейсмических измерениях, в

результате чего волна быстро затухает и не проходит глубже этого

слоя Если под ним находится слой с более низкими скоростями, то

волна, испытав отрицательную рефракцию, либо рассеется на глубине,

либо придет к поверхности моря далеко (свыше 100 км) за пределами

наблюдений (рис. 17). Дело в том, что современные морские сейсми-

ческие наблюдения проводятся с одного корабля, а в качестве прием-

ника колебаний используются специальные радиобуи. Буй сбрасывает-

ся с корабля; последний, генерируя сейсмические волны с помощью

сжатого воздуха (пневмопушки) или электроискрового разряда в воде

(спаркера), медленно удаляется

Возникающие волны, пройдя под дно, возвращаются после отра-

жения и преломления к поверхности (рис. 16, 17) и регистрируются

буем. Дальность работы буя ограничена дальностью действия УКВ-

передатчика, который передает зарегистрированные колебания на су-

довую аппаратуру, а также уровнем помех и мощностью источника.

Обычно она не превышает 50 - 60 км При таком расстоянии волна

проникает под дно на глубину не более 4-6 км. Если источник мощ-

ный, то волна, испытав отражение и преломление от высокоскорост-

ного слоя, пройдет через него в низкоскоростную среду, испытав при

этом отрицательную рефракцию (рис. 18). На поверхность она вернет-

ся на значительном удалении от корабля. При этом будет наблюдаться

зона тени, т.е. отсутствия сейсмических колебаний. Поэтому при ко-

ротких системах наблюдений с радиобуями и слабыми невзрывными

источниками создается впечатление, что последняя волна получена от

подошвы коры и что глубже никаких границ нет Исследования на

длинных профилях, выполненные в последнее время японцами и аме-

риканцами с использованием мощных взрывов и землетрясений, под-

твердили это предположение. Действительно, глубже 6 - 10 км от дна

были обнаружены другие границы - вплоть до глубин 30 - 40 км. К

сожалению, эти наблюдения носят пока рекогносцировочный характер

и по детальности несравнимы с сухопутными. Однако полученные

данные о слоистости коры в той области, где, считалось, располагает-

ся мантия, можно рассматривать как многообещающее свидетельство

в пользу предлагаемой нами интерпретации.

Таким образом, имеющиеся сейсмические данные в большинстве

своем освещают структуру коры в океане до глубин не более 10 - 15 км

и не дают основания для выделения особого типа «океанической» ко-

119

ры. С другой стороны, эти данные не противоречат рассмотренным

выше геологическим материалам о существовании под океанами такой

же гранитно-метаморфической коры, что и на континентах Под осад-

ками и базальтовыми лавами здесь должны залегать породы, анало-

гичные фундаменту континентов (рис 19). Как оно ни парадоксально,

но сухопутная сейсморазведка только в последние годы приступила к

изучению скоростной структуры фундамента Оказалось, что высокие

значения скоростей - не редкость и на суше

Рис 19 Области четвертичного оледенения в северном полушарии

Объем исследований верхов разрезов фундамента океанических

платформ, выполненных на коротких профилях (менее 100 км), ока-

зался несравненно большим, чем на континентах Отсюда и могло

сложиться впечатление о специфичности строения океанской коры

Например, по данным советского геофизика M C Вольвовского, к

1972 г было выполнено всего 230 тыс. км профилей глубинного сейс-

мического зондирования, из них 3/4 пришлось на океаны, а остальные

- на платформенные районы суши, перспективные в нефтегазоносном

отношении.

Сегодня никому не приходит мысль относить кору опущенных на

глубину 2 - 4 км платформенных областей суши к океаническому типу

строения Но ведь примерно на ту же глубину опущено и большинство

океанических котловин Разница, видимо, заключается лишь в темпах

погружения Если континентальные платформы опускались на эту

глубину на протяжении всего фанерозоя (580 млн лет) и в конце его

120