Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Название геологии переводится с греческого как «наука о земле». Это слишком общее название, одна ко оно справедливо, т. к. геология является комплексной наукой. Она включает в себя множество самых разных дисциплин, изучающих Землю в самых разных аспектах. Петрография, литология, минералогия, геохимия и биогеохимия исследуют породы и их образование в ходе химических процессов; стратиграфия, палеонтология, историческая геология занимаются проблемами эволюции Земли и земной коры; геофизика, тектоника, геодинамика изучают физические процессы на поверхности земли и в ее недрах. И все же не будет ошибкой утверждение, что предметом изучения геологии является строение земных недр.

Открытие природы месторождений

Еще первобытный человек, осваивая выплавку металлов, обнаружил для себя, что полезные ископаемые встречаются в земной коре не повсеместно. Разные их виды имеют закономерное расположение. Минералы группируются, образуя месторождения. Месторождения нередко взаимосвязаны между собой и образуют т. н. провинции месторождений — обширные территории, на которых встречаются местами крупные залежи того или иного минерала (породы).

Концентрирование минералов связано с различными геологическими процессами, длительность которых измеряется миллионами, а иногда и сотнями миллионов лет. Если познать закономерности образования месторождений, то человек сумеет без особого труда находить все новые и новые залежи полезных ископаемых. В средние века их поиском занимались рудознатцы и прочие поисковики, методы которых были довольно примитивны и не давали желаемого результата. Например, зачастую поиски залежей руды и скоплений подземных вод велись посредством т. н. «волшебной рогульки» — свежесрезанного древесного прутика, имеющего форму вилки (У-образную). За раздвоенные концы вилки следовало браться руками, а другую часть прутика водить поднятой над землей. Если лозоходец, как называли такого поисковика, наталкивался на месторождение, то кончик рогульки опускался к земле. Тем самым прутик показывал место, где надлежит копать.

Ученые полагают, что эффект рогульки действительно иногда срабатывал. Он обусловлен взаимодействием неоднородно распределенных электрических зарядов на теле человека-лозоходца и земной поверхности. Такое взаимодействие улавливалось кожными рецепторами и вызывало слабую мускульную реакцию, незаметную для самого человека. Такие реакции называют психомоторными, их хорошо регистрируют полиграфы (детекторы лжи). Прутик служил своеобразным полиграфом. Одновременно он помогал лозоходцу сконцентрироваться.

Естественно, способ не совсем пригоден для проведения поисковых работ. Распределение зарядов в природе зависит от массы факторов, и оно не повторяется в одинаковой точности каждый раз. Кроме того, непроизвольные мускульные реакции у разных людей, равно как, впрочем, и степень нервной чувствительности, резко различаются по интенсивности.

Вот почему по большей части средневековые рудознатцы и прочие поисковики полагались на свою интуицию и объясняли способность находить новые месторождения действием мистических сил земли или горных человечков (гномов и т. д.). Если интуиция бывалого рудознатца не подводила в знакомой местности, то на новом месте, в незнакомой обстановке человек оказывался бессилен что-либо отыскать.

Сравнительно недавно (около трех столетий назад) начала развиваться научная геология разведки и поиска ископаемых, которая занимается обнаружением и экономической оценкой перспективных месторождений на основе представлений об эволюции земной коры, истории Земли как планеты, причинах образования пород, химии коры и распределении в ней элементов.

За прошедшие столетия ученым удалось открыть немало поразительных фактов. Почти все залежи ископаемых оказались связанными тем или иным образом с формами рельефа. В этом нет ничего удивительного, поскольку сам рельеф образован под действием геологических процессов. Равнины отличаются от гор, а речные долины от долин ледниковых по той причине, что возникновение этих географических объектов обусловлено совместной преобразующей работой внутренних и внешних сил Земли.

В результате такой работы происходит смещение слоев пород и их постепенное разрушение, что приводит к изменению облика дневной, как говорят геологи, поверхности. Ведь эта самая дневная поверхность представляет собой не что иное, как вершину толщи каменных слоев, испытывающих преобразования. По мере видоизменения или разрушения пород, а также за счет химической деятельности живых существ и прочих сил природы в разных местностях возникают новые пласты, где скапливаются определенные минералы. Постепенно образуются месторождения.

История месторождений чрезвычайно увлекательна. Извержения вулканов выносят магматические массы на земную поверхность. Образуются лавовые поля, базальтовые «мостовые», усеянные вулканическими бомбами. Реки наносят пески, гравий, гальку. Ледники переносят валуны. На дне морей накапливаются илы, превращающиеся со временем в перемежающиеся толщи глин, известняков, писчего мела, мергеля.

Чудовищные давления и температуры в недрах заставляют минералы испытывать физико-химические превращения. Породы там претерпевают метаморфизм. Известняки становятся мрамором, а пески песчаником. Граниты и вовсе превращаются самым необычным образом. Они становятся гнейсами, гранитогнейсами или гнейсогранитами. Различать эти породы настолько сложно, что для них создано общее название — гранитоиды.

Миграция атомов, химические реакции в земной коре приводят к тому, что породы претерпевают превращения. Скажем, окаменевшие илы превращаются со временем не в обыкновенный известняк, а в доломит. Нередко на земном шаре удается найти настоящие химические реакторы, где идет интенсивное породообразование. Дно почти каждого древнего моря напоминало колбу, в которой бурно протекали всевозможные химические реакции.

Иногда они значительно отравляли воду своими конечными продуктами, преимущественно сероводородом. Вытеснение кислорода сероводородом и прочими серосодержащими соединениями в придонной морской воде приводило к образованию в илистых отложениях сидерита, кальцита, пирита, гипса и прочих минеральных веществ.

Все геохимические процессы прямо или косвенно связаны с подвижками неспокойной земной тверди, с ее тектоникой, а стало быть, и глубинным строением. Строение недр в каждой местности сколько-нибудь отличается от такового в соседних областях. Где-то слои смяты в складки, где-то лежат в линию, где-то разорваны на глыбообразные, сдвинутые относительно друг друга блоки. Если бы человек обладал чудесной способностью видеть подземные структуры, то смог бы наблюдать надежно запертые в них скопления руд, нефти, газа, угля и т. д. — месторождения минерального сырья.

Однако глаза человека на это не способны. Впрочем, зрение человеку здесь и не требуется, поскольку наш разум имеет возможность всегда и при любых обстоятельствах видеть гораздо дальше и больше, чем любой глаз. О глубинном строении земной коры могут многое рассказать хотя бы выходящие на поверхность слои горных пород. Но, конечно же, открыто это было не сразу.

Датский ученый Н. Стенон первым пришел к мысли о том, что слои в земной коре образуются поэтапно, причем каждый новый перекрывает последующий. Таким образом, самые молодые породы лежат на поверхности, а самые древние залегают глубже всех остальных в недрах. В идеале древнейшие породы никогда не показываются на дневной поверхности, ведь поверх них лежат более молодые слои. На самом же деле пласты пород крайне редко залегают упорядоченно. Обычно они сильно смещены.

Отличить дислокацию нетрудно, достаточно пройтись по геологическим обнажениям (крупным выходам пород) и внимательно присмотреться к минеральному составу пород. Если в одной и той же местности появляются пласты совершенно разных отложений, то перед нами определенно имеется дислокация. Но какую она имеет природу, каковы ее структура и происхождение? Как можно проследить смещение слоев, заметное на поверхности, далее — в глубь земли?

Увы, по одному только минеральному составу пород определить все это никак нельзя, а значит, нельзя и оценить перспективность дислокации на наличие каких-нибудь ископаемых. А главное, нельзя определить относительный возраст слоев: трудно сказать, какой слой образовался раньше, а какой позже. Потребовалось еще сто лет после открытия Стенона, чтобы разобраться в этой проблеме.

В конце XVIII столетия англичанин В. Смит исследовал окаменелости Британии и обнаружил интересную закономерность. Всем известно, что фауны разных стран на земном шаре разнятся между собой. В Африке обитают такие звери, которых не встретишь в Европе. Смит много поездил по Британии и изучал окаменелости одного возраста в самых разных местах. Оказалось, что они тоже отличаются. Но гораздо сильнее выражены различия между животными из отложений разного возраста.

Чем глубже и древнее отложения, тем более причудливым существам принадлежали найденные в них окаменелости. Эти животные резко отличаются от современных зверей. Сначала попадаются кости мамонтов, потом еще более причудливых млекопитающих, затем гигантских ящеров, необычных рыб. И все это нередко удается найти на одном обнажении.

Позднее геологи, в первую очередь великий англичанин Ч. Лайель, нашли объяснение загадке Смита: за всю историю Земли фауны сменяли друг друга — вымирали одни животные, и на их место приходили другие. Поэтому в каждом слое встречаются окаменелые останки совершенно отличных друг от друга созданий. Окаменелости указывают на точный возраст слоя, позволяя четко определить его расположение относительно окружающих пластов.

Метод такого определения возраста и, следовательно, точного положения слоя относительно других в разрезе земной коры получил название стратиграфического. Гораздо чаще его называют биостратиграфическим, поскольку он опирается преимущественно на палеобиологию (палеонтологию) — науку о древних организмах, чьи останки удается отыскать в слоях горных пород. Каждому слою присуща собственная фауна, которую специалист не спутает с фауной других отложений.

Стратиграфия значительно облегчает поиск месторождений. Причиной тому служит не единственно то, что она указывает на глубинные геологические структуры в недрах. Оказывается, разные виды полезных ископаемых образовались в различные эпохи земной истории. Все эти знания имеют огромное практическое значение, потому что именно благодаря им определяют места поиска тех или иных залежей. На базисе этих теоретических разработок были созданы технологии разведки и поиска месторождений.

Изобретена техника поиска полезных ископаемых

Самый простой способ изучения земных недр с использованием богатого теоретического материала заключается в тщательном обследовании всех обнажений пород, встречающихся на поверхности. Но данный метод является лишь началом трудоемкой работы по проведению геологических изысканий. Ярким примером, иллюстрирующим работу геологов-поисковиков, служит разведка и обнаружение нефти в Поволжье. Поволжские месторождения оказались столь богатыми, что их некогда называли «Вторым Баку».

А ведь первоначально геологи посчитали, что Поволжье совершенно бесперспективно в отношении «черного золота». Это мнение установилось после исследований, проведенных во второй половине XIX столетия. Уже тогда ученые догадались, что нефть активно движется в земной коре и образует месторождения лишь в том случае, когда что-то препятствует ее продвижению. В недрах должны находиться особые геологические структуры, являющиеся ловушками для этой маслянистой жидкости. Позже удалось составить представление об устройстве такой ловушки.

Она представляет собой слой породы-коллектора, перекрытый сверху породой-покрышкой. В качестве коллектора выступает песок, энергично вбирающий в себя нефть. Покрышку образуют плотные известняки, сквозь которые нефть не просачивается. В целом ловушка представляет собой крупную дислокацию в виде внушительной складки. Эта складка образует под землей купол, в верхней части которого и скапливается нефть. Она под давлением стремится покинуть толщу пород, но покрышка не дает жидкости такой возможности.

Когда во второй половине XIX в. геологи обследовали Жигули и Нижнее Поволжье, то они не нашли здесь серьезных дислокаций. Выходящие на поверхность слои известняков они приняли за отложения возрастом 100 млн лет и ошиблись при этом почти в 3 раза. Только в 1880-х гг. ошибка была исправлена. А. П. Павлов провел повторное обследование пород, слагающих недра Поволжья. Изучив известняки Самарской луки, ученый обнаружил там останки организмов, обитавших на нашей планете примерно 300 млн лет назад.

Следовательно, возраст известняков сильно приуменьшили, а это говорит о том, что Жигулевские горы возникли в результате крупной дислокации земных пластов. Слои оказались сильно сжаты в складки, оттого на поверхность были «выдавлены» отложения столь значительного возраста. Подобные смещения содержащих известняк слоев могут таить в себе ловушки нефти. В 1930-х гг. в местах, которые Павлов счел перспективными, провели пробное бурение, в результате чего удалось найти месторождения нефти и связанные с ними скопления природного горючего газа.

Разведочное бурение является еще одним из способов увидеть глубинные структуры. Одним из его приемов является радиоактивный каротаж. «Атомный» XX век подарил геологам ядерно-физические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Геологи в своем выборе опять-таки исходили из представлений о строении, составе и механизме образований залежей ископаемых.

Что же представляет собой каждое месторождение с физической точки зрения? Оказывается, это особое тело в земной коре, обладающее явно выраженными аномальными свойствами.

Месторождение является комплексом разнообразных отклонений, поскольку в процессе своего формирования под действием специфических физико-химических процессов оно подвергло влиянию окружающие породы и изменило их свойства. Месторождение выглядит иначе, чем окружающее вещество, если принимать в расчет магнитные поля, электропроводность, плотность, гравитационные свойства. Аномалии, связанные с месторождениями, отчетливо проявляются при изучении недр с помощью методов ядерной физики.

Радиоактивные излучения и ядерные частицы совершенно иначе взаимодействуют с такими телами в земной коре. Излучение как бы просвечивает недра, делает их рентгеновский снимок. На самом деле, конечно же, просветить толщу камня невозможно. Просто активные лучи приводят к ядерным реакциям в облученном веществе.

Современная разведка применяет для подобного ложного просвечивания несколько родов частиц. Во-первых, это нейтроны, во-вторых, гамма-кванты (кванты жесткого гамма-излучения), в-третьих, электроны. Последние используются нечасто. Из всех ядерно-физических методов разведки наиболее широко применяется и дает замечательные результаты радиоактивный каротаж скважин, в т. ч. гамма-каротаж.

Термин «каротаж» происходит от французского слова, означающего «морковка». На морковки похожи керны — столбики породы, выдолбленные в стволе проходки режущим инструментом буровой установки. Эти столбики поднимаются на поверхность и тщательно исследуются в физических и химических лабораториях. Иногда внутри таких образцов удается обнаружить интересные минералы или окаменелости, но чаще всего длительные исследования столбиков оказываются безрезультатными.

Чрезвычайно информативным является метод радиоактивного каротажа. Если облучить породы внутри проходки, даже не извлекая их на поверхность в виде кернов, то можно получить не менее, а иногда и более исчерпывающие данные. В любом случае применение каротажа позволило значительно снизить вероятность ошибки, которая чревата тем, что перспективное месторождение окажется не найденным.

Техника радиоактивного каротажа заключается в проведении анализа пород, разрез сквозь толщу которых создала проходка буровой скважины. Для этого необходимо опустить в пробуренную скважину ядерно-физический прибор, совмещающий в себе источник и одновременно детектор активного жесткого излучения. Обе составные части прибора разделены друг от друга защитным экраном, который не допускает, чтобы лучи от источника попадали на детектор.

Таким образом, детектор способен улавливать исключительно те частицы проникающего излучения, которые рождаются при бомбардировке породы лучами из источника. Источник глубинного прибора специально с этой целью заправляется нестабильными изотопами цезия или кобальта, а иногда и некоторых других элементов. Для получения потока нейтронов используется сложная смесь радиоактивных бериллия и полония. Полоний, распадаясь, испускает альфа-частицы. Они попадают в бериллий, возбуждая в нем ядерные реакции, завершающиеся испусканием нейтронов.

Источник может, т. о., испускать два вида лучей — поток гамма-квантов и поток нейтронов. Облучаемые горные породы испускают в ответ нейтроны или гамма-лучи. Таким образом, детекторы также различаются на два типа — приемники нейтронов и приемники гамма-квантов. Возможны разные сочетания детекторов и источников в зависимости от задач разведки.

Различается n — n-каротаж, n — γ-каротаж и γ — γ-каротаж. В первом случае источник испускает нейтроны (n), на прием этих же частиц рассчитан и детектор глубинного прибора. При проведении γ — γ-каротажа источник испускает гамма-лучи (γ), а детектор принимает гамма-лучи, идущие из породы. Наконец, n — γ-каротаж означает, что источник испускает или нейтроны, или гамма-кванты, а детектор принимает излучение противоположного типа.

Кроме того, существует гамма-каротаж, который используется при измерении фоновой радиоактивности горных пород, связанной с излучением гамма-квантов. В разных веществах, составляющих горные породы, протекают разные ядерные реакции. Поэтому по продуктам таких реакций можно с высокой точностью судить о присутствии в проходке тех или иных минералов.

Гамма-каротаж позволяет легко обнаруживать глины, которые обладают повышенной природной радиоактивностью. Подземные воды обнаруживаются с применением нейтронов (n — n- и n — γ-каротаж). К слову, посредством детекторов нейтронов уже проводились успешные поиски грунтовых вод на Луне, о чем рассказывалось выше. Угольные пласты выявляются с помощью γ — γ-каротажа. Техника описанного радиоактивного каротажа скважин была впервые предложена в 1941 г. отечественным физиком Б. М. Понтекорво, академиком впоследствии. С тех пор методика была значительно усовершенствована.

Лицо человека, верили древние физиогномисты, несет неизгладимый отпечаток пережитого и знак неотвратимой судьбы. Переменчивый облик планеты отражает все исторические потрясения. Земной рельеф был сформирован различными геологическими силами, которые проявляют себя и ныне. В 1963 г. жители Исландии наблюдали рождение вулканического острова Суртсэй. Жители приморских районов Калифорнии ежедневно наблюдают разрушение песчаных пляжей. Рельеф выдает человеку секреты земной истории и рассказывает о сокровищах, скрытых глубоко в недрах.

Открытия геоморфологии

Слово «рельеф» было заимствованно из французского языка, где изначально обозначало неровность, выпуклость. Долгое время рельефами называли исключительно выделяющиеся, объемные лепнины и резные украшения на поверхности стен и изделий. В наше время слово приобрело новое значение, которое значительно потеснило прежнее и стало основным. Рельефом в географии и смежных с ней науках называется совокупность всех форм и структур земной поверхности, образующих географические объекты или, если рассматривать в целом, ландшафтные комплексы.

Изучение рельефа позволяет выявить закономерности соответствия разных географических объектов и залежей ископаемых. Поскольку земной шар велик, то в разных его областях протекают несходные геологические процессы — землетрясения, вулканические извержения, накопление илов в реках или торфа в болотах и пр. Это приводит к образованию неодинаковых глубинных структур земной коры. В результате в разных местностях возникают условия для появления строго определенных видов ископаемых. Другие виды минерального сырья здесь уже образоваться не могут, их следует искать в другом месте.

Но те же самые геологические процессы, которые приводят к образованию полезных ископаемых, завершаются возникновением каких-либо форм рельефа. Причиной тому является тот факт, что земная поверхность (геологи называют ее дневной, т. е. освещаемой лучами солнца) представляет собой своеобразную крышу исполинского строения — каменной коры нашей планеты. Практически любые изменения и перестройки на «этажах» земной коры завершаются преобразованием дневной поверхности.

Передвижения блоков, размывание толщи пород, рождение и разрушение глубинных структур, накопление химических и органических осадков вместе с обломочным материалом приводит к тому, что земная поверхность оказывается испещренной различными формами. Среди этих форм впадины, рвы, каньоны, горы, утесы, рифы, обрывы, равнины, низменности и пр. Все эти неровности в совокупности составляют рельеф планеты и отдельных ее местностей.

Главными формами континентального рельефа являются равнины, высокие возвышенности (горы), занятая океаническими водами зона материковой отмели, или шельфа. Равнины по геологическому строению могут являться поверхностью таких крупных геологических структур, как щиты и платформы. Платформы перекрыты мощным осадочным чехлом, т. е. толщей осадочных пород, лежащих поверх кристаллического фундамента. Щиты почти полностью лишены осадочного чехла и представляют собой обширные выходы кристаллического фундамента на дневную поверхность.

Осадочный чехол платформ может содержать угли, нефть, газ, прочие полезные ископаемые, строительный камень, гипс. Щиты богаты месторождениями железных руд. Горные районы, занимающие до 30 % поверхности суши, различаются по возрасту. Земля пережила несколько эпох горообразования. Наиболее молодые горы богаты полиметаллическими рудами, иногда недра таких гор содержат немало строительного камня.

Древнейшие горы испытывают в настоящий момент разрушение, хорошо заметное по ряду признаков. Они представляют собой наиболее богатые полезными ископаемыми структуры, поскольку в таких областях на протяжении сотен миллионов лет протекали интенсивные геологические процессы. Здесь находятся месторождения полиметаллических руд, включая железо, никель, уран, медь, ртуть, а также золотые, платиновые и алмазные россыпи.

Наконец, существуют т. н. омоложенные горы, т. е. такие, которые имеют солидный возраст, но испытывали несколько поднятий и не успели значительно разрушиться. Здесь тоже в изобилии встречаются руды черных и цветных металлов, всевозможные россыпи, коренные месторождения алмазов и благородных металлов. Впрочем, существует и другая классификация гор, основанная на глубинном строении их недр.

Различают глыбовые (глыбообразные), складчатые и куполообразные горы. Первые возникают при резких вертикальных подвижках отдельных блоков земной коры. Вторые рождаются при сжатии земных слоев в складки, третьи появляются в местах внедрения в земную кору горячих магматических тел — батолитов, происходящих из более глубокого расплавленного вещества планеты. Что касается материкового шельфа, представляющего область континента, занятую океаническими водами, то здесь в осадочном чехле часто встречаются богатейшие месторождения газа и нефти.

Изобретена техника аэро- и космофотосъемки

«Находясь на высоте двух с половиной тысяч метров, мы были поражены, увидев под собою прекрасную карту мелей, глубоководной воды и фарватера. Воистину, перед нами раскрыта гигантская географическая карта», — так сообщает о своих впечатлениях один из первых аэронавтов. Поднимаясь на монгольфьерах, эти смелые люди увидели землю совершенно другой.

Конечно, наземные наблюдения крайне необходимы, однако они не дают человеку достаточного количества информации. По-настоящему исследовать земную поверхность можно только с большого расстояния, когда она предстает в совершенно новом виде. Всякий, кто знаком с творчеством художников-пуантилистов, прекрасно понимает, о чем идет речь. Пуантилизм сводится к тому, что картины составляются из крупных бесформенных мазков. Стоит зрителю отойти подальше от полотна, как мазки сливаются во вполне реальное изображение.

Нечто подобное происходит и при наблюдении суши с воздуха. Высота позволяет увидеть много нового. Разрозненные детали сливаются в единое целое, крупные формы преобладают и предстают в истинном свете, мелкие детали исчезают. Генерализация безусловно является главным достоинством воздушных наблюдений. Образы ландшафтов предстают перед человеком как подробнейшие карты, лишенные всяческих пунктиров и искусственных контуров.

Наглядность — другое, не менее важное достоинство такого метода географических и геоморфологических изысканий. Несмотря на генерализацию, человек видит все как есть. Никаких белых пятен, условных значков, никаких обманчивых цифр или линий. Третье существенное достоинство метода заключается в широте обзора. Только с воздуха, например из корзины монгольфьера или гондолы дирижабля, можно охватить взглядом сразу большую площадь и верно оценить расположение на ней разнообразных объектов.

Однако увидеть мало. Для полноценных исследований требуется еще и запечатлеть увиденное. Это стало возможным после изобретения фотографической техники в конце XIX в. Первым провел фотографирование земли с воздуха один из пионеров авиации, фотограф и журналист Надар. Близкий друг Ж. Верна и прототип многих героев романов писателя, Надар полностью разделял его мнение о необходимости начать изучение земли с высоты птичьего полета.

В 1880-х гг. воздушные съемки проводятся во многих странах. В 1886 г. аэрофотосъемка была впервые осуществлена в России. Тогда командир I военно-воздухоплавательной части А. М. Кованько совершил полет на воздушном шаре над Санкт-Петербургом и сделал несколько фотографий города. Дальнейшее развитие аэрофотосъемка получила только в XX в., поскольку именно в новом столетии появилась необходимая для таких работ фотографическая техника.

Однако научного интереса воздушные фотографии почти ни у кого не вызывали. Многие видели в снимках разновидность фотоискусства, ценные материалы попадали в журналы по современной живописи. Зато методом заинтересовались военные. Уже во время русско-японской войны 1904–1905 гг. нашими мастерами аэрофотосъемки выполнялись разведывательные снимки, данные с которых использовались в военных операциях. Несомненная польза аэрофотографий в военном деле была своевременно оценена на Западе, и во время Первой Мировой войны воздушный шпионаж достиг невиданного размаха.

Только в середине 1920-х гг. географический метод впервые применили для изучения состояния лесного хозяйства, а также в картографических целях. На конец 1920-х — начало 1930-х гг. приходится появление внезапного интереса к аэрофотосъемке. Выполняются первые фотографии болот, рек, растительности, рельефа. Высокое качество фотографий рельефа привлекло к себе внимание геологов. Снимки содержали массу уникальных геоморфологических данных, которые невозможно было получить путем непосредственных замеров или наблюдений.

Научная ценность фотографий состоит прежде всего в том, что некоторые данные аэрофотосъемки получить никаким другим путем нереально. К примеру, никак нельзя определить по обычной карте происхождение того или иного ландшафта. Воздушные фотографии показывают, каким материалом сложены элементы поверхности, в результате каких процессов они сформировались, как взаимодействовали друг с другом на протяжении тысячелетий.

По фотографиям сравнительно легко отличить аллювиальные (намывные) равнины от денудационных (выветрелых).

На снимках видны протекающие в настоящий момент процессы: выветривание пород, размывание берегов, движение дюн. Высохшие и заросшие лугами русла рек показывают, где в прошлом была вода и могут находиться сейчас запасы грунтовых вод. Линии моренных валунов маркируют собой границы ледников. Выходы пород разного состава зачастую отчетливо различимы. По этим выходам нетрудно вообразить строение недр местности.

Реки и возвышенности являются лучшими помощниками геологов, когда требуется заглянуть в недра Земли. Смещения блоков и складки пластов заметны на поверхности по рельефу возвышенных участков и по водоразделам. Реки прокладывают русла вдоль границ глубинных структур. Поднятия, плато и горы своим наружным строением, которое доступно подробному изучению только с воздуха, выдают наличие тех или иных структур на большой глубине, под ровной и почти гладкой толщей осадочного материала.

Поскольку геологические структуры и геоморфологические образования зачастую служат подземными кладовыми или маркерами таких кладовых, то аэрометоды дают информацию о месторождениях или районах, перспективных на какой-то вид ископаемых.

Например, Прикаспийская низменность никому прежде не казалась уникальным геологическим образованием, с которым можно связать какие-то перспективные месторождения. Фотографирование показало, что здешняя поверхность сложена мощной толщей осадочных пород. Они были нанесены частично Волгой, которая неоднократно меняла свое русло и откладывала в своей дельте тонны илов и обломочного материала, а частично самим Каспием. Самое большое на планете озеро, которое правильнее называть озером-морем, неоднократно разливало свои воды по всему нижнему течению Волги, доходя до окрестностей Саратова.

Могучая толща осадков заполняет исполинскую котловину, образованную подвижными блоками кристаллического фундамента. Эти древнейшие блоки земной коры, на которые наслаиваются осадочные отложения рек, озер и морей, в Прикаспийской низменности гигантскими ступенями уходят вниз. Обширный провал имеет глубину свыше 12 000 м! Это означает, что в гигантскую впадину легко поместятся величественные Гималаи и даже океанические вулканы Гавайских островов.

Аэрофотосъемка Прикаспийской низменности выявила солевые купола, на месте которых возникли соленые озера типа Эльтона и Балахаша, выявила характер залегания осадочных пород и прочие интересные подробности. Геологи, привлеченные необычным строением местности, провели исследование нескольких перспективных районов. Особое внимание они обратили на Апшеронский полуостров, где впоследствии в мощной толще древнейших волжских наносов, получившей название «Продуктивная», удалось найти нефть.

Несмотря на совершенство аэрометодов, в последнее время не менее важное значение приобретает космофотосъемка. Она дает ученым возможность охватывать вниманием гораздо большие площади земной поверхности, вплоть до всего земного шара. Космические фотографии несут генерализованное изображение деталей рельефа. В каком-то смысле сильное обобщение изображения можно считать большим недостатком.

Но геологи, правильно анализируя получаемую информацию, умеют извлекать из этого недостатка большую выгоду. При высокой степени генерализации, которую обеспечивает космофотосъемка, видны громадные геоморфологические структуры. Никакими наземными методами, а также аэрометодами эти структуры изучить невозможно. Лишь из космоса становится заметным, как сливаются разнообразные комплексы пород в более сложный агрегат.

Впервые фотографию рельефа Земли из космоса сделал 6 августа 1961 г. «второй» (т. е. второй после Ю. Гагарина) космонавт Г. Титов с борта корабля «Восток-2». Принято считать этот знаменательный день датой рождения космофотосъемки. Но при этом нужно заметить, что становление геологической косморазведки произошло гораздо позднее, а именно — 13 октября 1964 г. Тогда на борту корабля «Восход» космонавты В. М. Комаров, Б. Б. Егоров и К. П. Феоктистов выполнили первый в истории человечества эксперимент по геологическому фотографированию земной поверхности. В частности, были засняты обширные районы Тибета, не исследованные до того времени не только геологами, но даже географами.

Космофотосъемка просматривает недра планеты на невероятные глубины, вплоть до границы Мохоровичича. Естественно, камень не становится прозрачным, с какой бы занебесной высоты на него не смотрел человек. Но этого от земной коры и не требуется. Космические фотографии выявляют гигантские структуры, уходящие глубоко в недра и являющиеся элементами строения кристаллического фундамента громадных платформ, складывающих материки. Таким образом, наблюдения с орбиты помогают увидеть детали строения нижних этажей земной коры, перекрытых мощной толщей осадков и обломочного материала.

В числе наиболее примечательных структур следует назвать линеаменты, иначе, линейчатые структуры земной коры. Они возникают на границах литосферных плит, в местах наиболее существенных подвижек, сопровождающихся разломами. Линеаменты являются как бы поверхностным отображением глубинных разломов коры. Эти образования возникают при разрывах коры в области рифтовых долин.

Техника космической съемки позволяет при разном масштабе фотографий выявить линеаменты разных размеров, природы, происхождения и значения. С линейчатыми структурами связана история планеты, процессы горообразования, сейсмическая и вулканическая активность, образование ряда полезных ископаемых. Изучение этих структур крайне необходимо для познания законов геологии.

Всякий раз, когда популяризаторам науки случается говорить о головокружительных ее успехах, неизменно звучит фраза о том, что приборы стали продолжением нашего взгляда. Благодаря этому, а в еще большей степени благодаря знаниям, которые служат продолжением нашего внутреннего зрения, люди могут видеть все. Повторяется в популярных книгах и классическое изречение: хотя орел видит дальше, чем человек, человек видит больше, чем орел!

Спорить с этим нельзя, да и незачем. В заключительном разделе книги хотелось бы оттолкнуться от рассуждений об остроте нашего зрения и прояснить вопрос об остроте нашего слуха. Слышит ли человек настолько хорошо, чтобы прослушивать, например, насквозь Землю?

Открытия сейсмологии

Сейсмология — наука о подземных толчках и землетрясениях. Ранние сейсмологические представления были присущи всем народам, знакомым с внутренними стихиями Земли. Древние греки полагали, что сотрясения суши вызываются чудовищными волнами, насылаемыми на берега властителем морской стихии, богом Посейдоном. Более поздние воззрения не отличались оригинальностью. Люди по языческой традиции долгое время связывали катастрофические подземные толчки с деятельностью высших сил, которых чем-то прогневало грешное человечество. Впрочем, уже в те времена возникла потребность изучать и систематизировать сведения о подземных сотрясениях.

Первоначально эти сведения заносились в хроники и только потом стали изучаться геологами. Всего мировая летопись содержит сведения о 2574 катастрофических землетрясениях и десятках тысяч сравнительно малых сотрясений. Серьезные исследования страшного природного явления начались в XVIII столетии. Интерес к нему был вызван толчком чудовищной силы. В 1755 г. произошло Лиссабонское землетрясение, одна из самых страшных катастроф в истории человечества.

Великий И. В. Гете стал невольным свидетелем катастрофы. Тогда он был еще ребенком и впоследствии записал свои детские впечатления: «Священники в проповедях говорили о небесной каре. Мальчик, которому пришлось неоднократно слышать подобные разговоры, был подавлен. Господь Бог, вседержитель неба и земли, совсем не по-отечески обрушил кару на правых и неправых». Маленький Гете проникся настроениями, которые были распространены среди людей. Катастрофа заставила многих трезво взглянуть на природные катаклизмы и увидеть в них прямое следствие необратимых геологических процессов.

Уже в 1757 г. М. В. Ломоносов, увлекшись ростом ранних сейсмологических исследований, пишет свой труд «О рождении металлов от трясения Земли». Великий русский ученый прекрасно понимает, что кажущаяся спокойной земная твердь весьма активна. Подвижность является естественным состоянием земной коры. Оттого слои горных пород не лежат по линейке. Незачем искать развалины городов, якобы наказанных небом, чтобы наблюдать в руинах следы сейсмических толчков.

Почти любой участок планеты несет в себе отпечаток недавних или древнейших каменных штормов, которые бушевали задолго до того, как эти места были заселены человеком. Ломоносов выражает свои мысли следующим образом: «Все лицо земное исполнено явственными сего доказательствами. Где токмо не увидишь с расселинами горы; тут оставшиеся следы земного трясения быть не сомневаться».

Итак, сотрясения коры планеты происходят сами по себе, без вмешательства высших сил. Глубинные толчки беспокоили мир за миллионы лет до появления на Земле человека, меняя облик ландшафтов.

Вплоть до XX в. ученые не могли точно охарактеризовать подземную стихию. Да и сейчас многое в сейсмологии по-прежнему остается делом будущего. Однако накоплено уже немало сведений. Если из глубин Вселенной информацию о происходящих там процессах до нас доносит свет, то информацию о событиях, протекающих в сердце массивного тела Земли, могут сообщить сейсмические толчки.

Они порождены глубинными явлениями, неведомыми человеку, и потому отражают самую суть этих явлений, служат прямым последствием тектонических подвижек земного вещества. Каждое землетрясение порождает колебания пород, т. н. сейсмические волны, которые по своей природе близки звуковым. Идея прослушивать посредством приема этих колебаний планетные недра зародилась на рубеже XIX–XX вв., а стала целенаправленно реализовываться в начале XX столетия.

Одним из пионеров прослушивания недр являлся хорватский ученый А. Мохоровичич. Проводя свои изыскания в 1909 г., он пришел к знаменательному открытию. Тогда уже было многим известно, что скорости волн растут с глубиной. Этому существовало разумное объяснение. Каменное вещество по мере повышения давления в недрах уплотняется, а в более плотной среде колебания идет быстрее. Мохоровичич обнаружил, что сейсмические волны, приходящие с глубины около 50 км, внезапно повышают свою скорость на значительную величину.

Следовательно, на данной глубине происходит раздел сред, иными словами, поразительный скачок плотности вещества. Граница была названа в честь первооткрывателя, а ученые с большим интересом начали прослушивать Землю в надежде заглянуть глубоко в недра. К исследованию строения планеты подключился американский ученый Б. Гутенберг, который в 1914 г. порадовал мир новым открытием. На глубине порядка 2900 км происходит очередной скачок плотности, но на сей раз вещество становится менее плотным. На это указывала изменившаяся скорость продольных сейсмоволн.

Медленные поперечные волны были целиком поглощены глубинным слоем. Данные измерений недвусмысленно указывали на то, что сердцевина планеты образована жидкостью. Поскольку жидкие вещества почти несжимаемы, то плотность здесь оказалась весьма низкой. Планета обладала очень необычным строением, но и это не смущало геофизиков. Наиболее поразительным оказалось другое. Волны, проходившие сквозь жидкость, преломлялись несколько раз, как если бы по пути преодолевали какую-то новую среду. Любопытно, что и скорость после очередного преломления возрастала.

Найти объяснение этому явлению удалось лишь в начале 1930-х гг., когда датский сейсмолог И. Леман завершила свои измерения. Она показала, что странный ход сейсмических колебаний вызван присутствием в центре Земли твердого и очень плотного ядра. Итак, Земля имеет двойное ядро. Позднейшие измерения, гораздо более точные, выявили следующее. Земля сложена несколькими слоями плотного вещества, неоднородными по химическому составу.

В период своего образования наша планета представляла собой сгусток космической туманности, в котором химические элементы были распределены равномерно по всему объему. По мере формирования планеты из этого сгустка элементы, в зависимости от своей массы, перемещались в предпочтительном направлении. Легкие атомы выдавливались наверх гораздо более тяжелыми, происходило расслоение земного вещества.

В результате поверхностный слой оказался сложенным преимущественно кремнием и алюминием. Этот слой получил название земной коры. Каменные породы коры являются, как ни странно, наименее плотными веществами. Ниже, за границей Мохоровичича, называемой еще границей Мохо, расположена мантия. Она образована преимущественно более тяжелыми соединениями кремния и магния. Она неоднородна, но распадается на два слоя — верхнюю и нижнюю мантию. Начинается мантия на средней глубине 30–33 км.

Данная цифра условна, поскольку толщина земной коры неодинакова на всем ее протяжении. Под океанами мощность коркового вещества колеблется в пределах 4–15 км, а под континентами достигает в среднем 30–50 км, при максимальном значении 70 км. Температура мантийного вещества колеблется от +400 до +4000 °C, отчего оно пребывает в полурасплавленном, вязком и тягучем состоянии. Плотность этого расплава очень велика. Верхняя мантия, простирающаяся до глубины примерно 1000 км, пребывает под давлением минимум 900 млн Па, что в 900 раз выше атмосферного.

Мантийное вещество, обладая значительной пластичностью, пребывает в постоянном движении. Наиболее существенны среди всех потоков в области мантии т. н. конвекционные токи. Эти мантийные течения можно сравнить с бурлением кипятка в кастрюле. Природа их совершенно одинакова. Вещество мантии нагревается на больших глубинах, близ горячего ядра, в результате чего в этом слое рождаются вертикальные раскаленные потоки. Они достигают верхней области мантии, где остывают и растекаются в разные стороны в горизонтальном направлении.

Остывающие течения приводят в движение литосферные плиты, слагающие земную кору. Подвижки плит вызывают, в свою очередь, землетрясения, вулканические извержения, процессы горообразования и т. д. Наиболее внушительным последствием таких подвижек является дрейф континентов, последствия которого заметны лишь по прошествии многих миллионов лет. Материки медленно передвигались по поверхности мантийного слоя, сочетаясь друг с другом необычным образом и меняя свои очертания.

Земля былых геологических эпох не была похожа на современную. Скажем, 250 млн лет назад вся суша планеты была объединена в единый суперконтинент Пангею. Последние исследования показали, что задолго до того неоднократно происходили образования и распады великих сверхконтинентов, сходных с Пангеей. Ей предшествовали, поочередно сменяя друг друга, Метагея, Мегогея и Мезогея.

На глубине 1000 км происходит скачок плотности вещества с 4000 до 4600 кг/м³. Давление здесь возрастает до отметки 40 млрд Па (в 400 000 раз выше атмосферного). Глубже залегают слои нижней мантии, плотность вещества которой составляет в среднем порядка 5000 кг/м³, а температура равняется +3500 °C. В целом мантийное вещество насчитывает 65 % от массы всей планеты, остальное приходится преимущественно на вещество ядра. Земная кора составляет по массе менее 1 % от массы планеты.

Жидкое внешнее ядро, богатое кислородом и тяжелыми элементами, преимущественно опять-таки кремнием, начинается на глубине 2900 км. Здесь происходит под давлением 136 млрд Па скачок плотности вещества с 5700 до 9700 кг/м³. Температура на поверхности ядра равняется +4200 °C, а с глубиной повышается до +5500 °C. В области этих максимальных температур, соответствующих отметке глубин 4500 км, плотность вещества равняется 11,4 т/м³, а давление 320 млрд Па.

Глубже 5000 км залегает железоникелевое, твердое внутреннее ядро. На его поверхности происходит скачок плотности с 12,5 до 12,7 т/м³. Температура здесь достигает примерно +6000 °C. В железистом ядре находится центр планеты. Он расположен на глубине 6371 км, т. о., если бы человек имел возможность спуститься сюда по лестнице, то этот спуск занял бы около 2 месяцев. Эта область характеризуется следующими параметрами: давление 370 млрд Па (в 3,7 млн раз больше атмосферного), плотность вещества 13 т/м³, температура выше +610 °C, что много больше температуры на поверхности Солнца!

Изобретение сейсмографа

Когда люди столкнулись с проявлениями подземной стихии, мыслители и изобретатели попытались найти способы определить время начала землетрясения. В дальнейшем возникла потребность вычислить место его максимальной активности (эпицентр), силу толчков и направление их движения. Первыми попытались регистрировать признаки надвигающихся каменных штормов древние греки. Греческие геометры и философы предлагали различные способы для осуществления этой цели.

Бытует мнение, что греки даже разработали сейсмограф — прибор для регистрации колебаний почвы. Но никакими детальными сведениями об этом ученые не располагают. Достоверно можно утверждать лишь то, что греки прекрасно знали о способности многих животных улавливать сейсмические толчки. Античные хроники 323 г. до н. э. отмечают: «За несколько дней до землетрясения, разрушившего город Геликос, кроты, ласки, ехидны и сороконожки вышли из своих норок, обратившись в беспорядочное бегство».

Первый настоящий сейсмограф был сконструирован китайским астрономом Чжан Хэном 1870 лет назад, в 132 г. К сожалению, устройство не сохранилось до настоящего времени, однако китайские историки сумели реконструировать его облик по старинным летописям. Согласно традициям того времени, прибор был украшен скульптурными изображениями животных, причем эти скульптуры одновременно служили деталями конструкции. Предположительно фигурки изображали драконов и лягушат (жаб) или каких-то еще зверей.

Прибор выглядел следующим образом. Он был отлит из бронзы и представлял собой сосуд диаметром 2 м. Внутри сосуда располагался высокочувствительный маятник, реагировавший на подземные толчки на расстоянии до 600 км от места максимальной активности. Улавливая сейсмические колебания, маятник приходил в движение. Он был соединен специальными тягами, выполнявшими функцию опорных рычагов, с указателями сторон света и основных румбов. Всего сейсмограф содержал 8 указателей, определявших направление хода колебаний грунта.

Эти указатели соответствовали румбам: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад и северо-запад. В зависимости от направления толчков и, следовательно, от расположения эпицентра маятник начинал колебаться в определенной плоскости и посредством какой-то тяги приводил в движение нужный указатель. Последний, видимо, изготавливался в форме головы дракона, держащего в зубах металлический шарик. Головы были обращены в направлении 8 выбранных румбов. Если толчки приходили с северо-востока, то маятник заставлял двигаться драконью голову, обращенную на северо-восток.

Когда голова приводилась в движение, шарик выскальзывал из раскрывавшихся металлических челюстей дракона и падал в специальную небольшую чашу (тарелочку). Всего вокруг основания прибора на земле устанавливалось 8 чаш, по одной на каждую голову. Чаши были выполнены в форме лягушат с широко открытыми ртами. Таким образом, выпавший из драконьей пасти шарик попадал в рот восседавшего под указателем лягушонка. Астроном проверял, в какую чашу упал шарик, и тем самым узнавал о направлении сейсмических волн в грунте.

Одним из первых европейских сейсмографов был сейсмоскоп итальянского изобретателя Н. Кассиатори. Построенный в 1848 г., этот прибор принципиально не отличался по принципу действия и конструкции от сейсмографа Чжан Хэна. Устройство также было снабжено указателями направления толчков, только на этот раз его детали не были выполнены в виде зверей. В 1856 г. более совершенное устройство установили на Везувии. Сейсмограф измерял, помимо прочего, амплитуду волн и время толчка.

На протяжении 1890-х гг. впервые активно разрабатываются и создаются разные модели вертикального сейсмографа с инертной (инерционной) массой. Последняя представляет собой подвесной груз, слабо реагирующий на вертикальные толчки. Во время землетрясения корпус сейсмографа колебался, тогда как сама инерционная масса оставалась почти неподвижной. Ее положение относительно колеблющегося корпуса отмечалось самописцем на угольной ленте. Таким способом ученые получали диаграмму землетрясения.

Устройства такого рода, изготовленные в 1890-х гг., являются настоящими сейсмографами, тогда как приборы Чжан Хэна и Кассиатори в действительности представляют собой сейсмоскопы. Название сейсмографа в переводе с греческого означает «пишущий сотрясения земли», а сейсмоскоп — «видящий сотрясения земли». В популярной литературе оба вида приборов принято называть сейсмографами. Посредством новых сейсмографов были получены ценные данные о характеристиках разных катастроф — землетрясении 1894 г. в Японии, подземных катаклизмах 1897 г. в Индии и т. д.

Конструкция сейсмометра была затем существенно усовершенствована в 1900-х гг. академиком Б. Б. Голициным, который заложил основы современной сейсмологии. Он же первым понял, что сейсмические толчки как бы простукивают планету насквозь и помогают тем самым заглянуть в ее недра. Землетрясения Голицин сравнил с ярким лучом фонаря, высвечивающим глубинное строение Земли.

Приборами нового образца с 1920-х гг. оснащаются сейсмические станции, которые открываются по всему миру. Очередной значительный прорыв сейсмологии произошел в начале 1960-х гг. В 1960 г. разбросанные по разным уголкам планеты сейсмостанции были объединены во Всемирную эталонную сейсмографическую сеть, которая стала работать по одному временному графику и пользоваться определенными техническими стандартами. Это позволило успешно обобщать данные сотен измерений.

В 1962 г. впервые высокочувствительные сейсмографы были испытаны в районах, где отсутствует опасность землетрясений. Ученые хотели узнать, насколько серьезны подвижки земной коры, приводящие к катастрофам. Измерения проводились в европейской части России, главным образом в Поволжье. Оказалось, что ничтожно малые подвижки блоков коры все же создают порядочный фон малых колебаний, т. н. фон микросейсм.

Измерение микросейсм позволило узнать много нового о движениях литосферных плит и о возникновении очагов сейсмической активности. Малые землетрясения прояснили вопросы, связанные с геологической историей планеты. В наши дни при строительстве ускорителей элементарных частиц непременно учитывается уровень микросейсм, поскольку фоновые колебания могут повлиять на точность научных экспериментов. Земля постоянно пребывает в движении, она неспокойна повсюду. Таким образом, важнейшим выводом современного естествознания, в т. ч. и геологической науки, является заключение о том, что Земля — живая планета.