Инструменты морских геологов
На эмблеме Международного геологического конгресса выгравированы перекрещенные геологические молотки и под ними подпись «Mente et malleo», что по латыни значит: «Умом и молотком». Действительно, молоток — один из главных инструментов сухопутных геологов. А из органов чувств геолог при полевых работах больше всего пользуется зрением. В самом деле, почти вся информация о геологических образованиях на суше получается нами через зрительные впечатления. Рассматривать можно и то, что, как говорится, находится под носом и то, что в отдалении. Авиация, а теперь и космические корабли дают возможность обозревать Землю сверху, издали, охватывая взглядом сразу огромные пространства, чуть ли не целые континенты. Так что, дополняя девиз геологического конгресса, можно было бы добавить: «и взглядом». Но это — на поверхности суши.
Под водой взгляд не может проникнуть далеко. Даже на прибрежном мелководье и при отсутствии мути в воде наш глаз не гложет видеть дальше нескольких десятков метров: свет рассеивается в воде, очертания предметов расплываются и сливаются с общим фоном. С глубиной свет быстро слабеет, поглощаются лучи части спектра, изменяется видимая окраска, а на глубине 100—150 метров вообще исчезают видимые лучи света. В глубинах океана (абиссали) царит вечный мрак; никогда на океаническое дно не падал луч солнца. Конечно, в глубоководной области океана зрение мало чем поможет геологу, даже если опуститься в специальном аппарате и осветить дно прожектором. Луч света далеко не проникает, рассеиваясь в вечном мраке. Поэтому в океане невозможно получить, например, перспективные фотографии дна или подобие аэрофотоснимков со сколько-нибудь значительного расстояния от дна- Оптические средства в океане годятся только для ближнего обзора.
Зато оказалось, что в толще воды свободно распространяется звук, точнее — ультразвук, беспрепятственно достигающий дна в самых глубоких впадинах. В горизонтальном направлении ультразвук распространяется на огромные расстояния, а в определенном слое воды звуковой импульс может обогнуть весь земной шар. Как и всякий звук, ультразвук отражается от препятствий, порождая эхо; ловя эхо, отраженное от дна, и зная скорость распространения ультразвука в воде, можно вычислить глубину океана. Так возник эхолот, создание которого произвело настоящий переворот в технике измерения глубин. Ведь до недавнего времени простое измерение глубины океана представляло трудоемкую задачу и не отличалось точностью.
На первой советской дрейфующей полярной станции СП—1, на которой И. Д. Папанин, П. П. Ширшов, Е. К. Федоров и Э. Т. Кренкель в 1937— 1938 годах продрейфовали от Северного полюса до Гренландского моря, измерения глубины производились опусканием тяжелого лота на рояльной струне с ручной лебедки, каждое измерение занимало целый рабочий день. При этом точность промеров была невелика: лот отклонялся от вертикального положения вследствие дрейфа льдины и под влиянием течений, струна проскальзывала по блоку счетчика глубины. Сейчас такие промеры на любых глубинах океана выполняются в считанные секунды и с гораздо большей точностью с помощью прецизионных (высокоточных) эхолотов, показания которых записываются на ленту. Эхолот работает непрерывно на ходу судна, записывая профиль дна по курсу корабля.
Дальнейшим развитием эхолотирования стали системы, позволяющие записывать не только профиль дна (глубины) по курсу корабля, но и площадное изображение рельефа в полосе шириной до 1—1,5 километра. Для такой записи аппаратура размещается на погружаемом буксируемом устройстве, с которого ультразвуковые импульсы посылаются не только вниз, но и в стороны. Подобие наземной аэрофотосъемки в океане невозможно, зато использование ультразвука в воде заменяет взгляд. Звуковой импульс в океане, будучи преобразован в объемное изображение, дает возможность получить видимое изображение рельефа и даже отдельных предметов на дне.
Таким образом, ультразвук заменил в океане взгляд для дистанционных (удаленных от предмета изучения) наблюдений. В пределах же прямой видимости в воде наблюдения ведутся из различных погружаемых устройств — подводных лодок, батискафов, «ныряющих блюдец» Кусто, советских подводных аппаратов. Широко применяются подводная фотография и телевидение. Одним из первых дно океана начал фотографироветь советский ученый К Л. Зенкевич, которому удалось получить изображение даже глубоководных рыб и следов неведомых животных на дне под многокилометровой толщей воды. Телевизионные камеры устанавливаются на погруженном буксируемом устройстве («платформе», «модуле»), которое может выдерживать заданное расстояние от дна в пределах хорошей видимости. Совмещение на одной «платформе» телевизионного устройства и фотоаппарата дает возможность выборочно фотографировать наблюдаемые по телевизору объекты. В геологической поисково-разведочной практике телевидение используется для обзора дна на ходу судна. Правда, один из наблюдателей на борту научно-исследовательского судна (НИС) ФРГ «Вальдивия», которое вело поиск рудных конкреций в Тихом океане, пожаловался, что следить за развертывающейся на телеэкране картиной дна скучнее, чем даже смотреть программы немецкого телевидения. Однако не всегда и не везде океаническое дно однообразно.
Итак, изучение рельефа дна океана возможно с помощью ультразвука, а на близких расстояниях — прямыми наблюдениями из подводных аппаратов или с помощью подводного телевидения и фотографии.
Однако геология вообще, и геология океана в частности, требуют изучения строения и состава толщи горных пород, слагающих земную кору. На суше такое изучение ведется путем непосредственных наблюдений в горах, где на склонех могут быть вскрыты геологические напластования, возраст которых насчитывает десятки и сотни миллионов лет; в равнинной местности толща пород может быть вскрыта бурением. В океане непосредственные наблюдения крайне затруднены, бурение, хотя и производится в последние годы, вскрывает только осадочную маломощную толщу. Поэтому для изучения геологии океана важнейшее значение приобрели геофизические методы — косвенные, но сравнительно дешевые и поддающиеся более или менее однозначному истолкованию.
Наиболее применяемым методом оказалось сейсмическое изучение толщи горных пород земной коры — и на суше, и в океане. Сущность метода сводится к тому, что сейсмические волны, возбужденные каким-либо источником колебаний — от землетрясений до искусственных толчков различного рода, распространяются в слоях земной коры с неодинаковой скоростью. Обычно, чем порода плотнее, тем выше в ней скорость сейсмических волн. Можно изучать скорости распространения отраженных (как ахо) волн — это будет метод отраженных волн; можно изучать скорость распространения преломленных волн; в каждом случае получаем характеристику какой-то толщи пород.
При глубинном сейсмическом зондировании изучается строение толщи коры мощностью десятки километров, изучение захватывает и породы верхней мантии. В более обычных случаях изучается часть толщи коры или даже только верхняя часть толщи осадков на дне — для этого применяются менее мощные источники — возбудители сейсмических волн. Вместо больших зарядов взрывчатых веществ сейсмики ограничиваются хлопком воздушного пузыря или разрядом электрической искры, и такие модификации сейсмического метода получили название сейсмопрофилирования и звукогеолокации или эхолокации (сейсмоакустики).
Сейсмические методы позволяют изучать строение толщи пород в резных масштабах. При детальном изучении небольшого участка на глубину десятки — первые сотни метров (например, при поисках подводных продолжений речных долин с присущими им россыпями золота или касситерита) применяются методы сейсмопрофилирования и звукогеолокации. Для изучения толщи мощностью первые тысячи метров необходимо уже применение более мощных источников сейсмических колебаний и проведение комплексе сейсмических наблюдений. На сейсмограмме получают картину изменений скоростей распространения сейсмических волн, на основании чего можно построить профиль, как бы глубинный разрез земной коры. При этом вещественный состав пород остается неизвестным. Интерпретатор сейсмической записи в зависимости от своего опыта и интуиции может предположить, с какими породами он имеет дело, однако точное определение может дать только бурение. Как выразился один из опытнейших геофизиков нашей страны, они, геофизики, при геологическом истолковании своих материалов еще не могут обойтись без «лопаты».
Сейсмические исследования в океане показали, что океаническая земная кора гораздо тоньше, чем континентальная, всего 6—10 километров и имеет при этом трехслойное строение (см. ниже). Однако такая схема строения «типичной» океанической коры часто нарушается, в коре появляются усложнения различного характера. Выяснить, какие это усложнения, помогают другие геофизические методы.
В изучении внутренней структуры коры и отдельных ее участков большое значение имеет гравиметрия — изучение распределения силы тяжести. Гравиметрия выявляет в земной коре породы, отличающиеся большей или меньшей плотностью, залежи полезных ископаемых крупных масштабов, некоторые структуры. Для работы в море созданы образцы гравиметров, которые дают надежные показания, находясь на судне, в неустойчивой обстановке качки и движения. При стационарных наблюдениях на полигонах используются также гравиметры, опускаемые на дно. Гравиметрические материалы, так же как и сейсмические, неоднозначны в смысле установления вещественного состава тел, вызывающих аномалии силы тяжести. Выражаются они не в виде скорости распространения сейсмических волн (как в сейсмометрии), а в единицах ускорения силы тяжести — галлах (1 смс2) или обычно — миллигаллах, тысячных долях галла.
Изучение намагниченности пород океанической коры — магнитометрия — показало, что эпохи «прямой» (соответствующей современному положению северного и южного магнитных полюсов) и «обратной» ориентировки магнитного поля чередовались, что породило в океанической коре так называемые полосовые магнитные аномалии. По положению таких аномалий, в частности, удается определить время их возникновения, то есть возраст этих участков океанической коры.
Изучение теплового потока через земную кору позволяет установить точки и швы, по которым происходит усиленный вынос внутренней тепловой энергии земных недр, что нередко сопровождается рудопроявлениями. Прохождение электрического тока через толщи пород океанической коры также позволяет изучать геологию дна электрометрическими методами.
К сожалению, все геофизические методы для геологии — это косвенные методы; они не позволяют определить вещество земной коры. Частично этот недостаток восполняется бурением, но бурение в океане дает материалы только о верхних сотнях метров, реже — первых километрах и обходится чрезвычайно дорого.
Частично некоторые способы определения вещества в образцах и пробах осадков и пород возможны с помощью наведенной радиоактивности в лабораторных условиях. Проводятся опыты подобных анализов образцов руды на дне океана без подъема пробы на поверхность. Однако не только электронные приборы, осциллографы и тончайшие кварцевые пружинки гравиметров входят в инструментарий морских геологов. Для геологических целей (получения образцов осадков, пород, руд, рассолов и т. д.) служат довольно простые устройства. Шутка о воздушном шаре, с которого на веревке спускается корзинка, не так уж далека от действительности в морской геологии. Для сбора материалов в море до сих пор широко используется лебедка, трос и прицепленный к концу троса захватывающий прибор. Такие приспособления верно служат морским геологам уже более ста лет, со времен зарождения морской геологии в конце прошлого века. Применялись и применяются до сих пор захватывающие устройства в виде трубок, 6), вонзающихся в осадок под влиянием своей тяжести или с помощью вибрации и другим путем; дночерпателей, соскребывающих с поверхности слой осадков или обломков; драг в виде проволочной или веревочной корзины с передним стальным краем, отрывающим при волочении по дну куски пород.
Все эти довольно примитивные орудия с успехом продолжают применяться и сейчас и даже совершенствуются: например, появились автономные пробоотборники — дночерпатели, самостоятельно погружающиеся и всплывающие после отбора пробы, не будучи соединены с кораблем тросом. Такие дночерпатели могут быть дополнительно оборудованы маленькой грунтовой трубкой для взятия неразрушенной колонки осадков и фотоаппаратом с лампой-вспышкой для получения фотографии дна, с которого поднята проба грунта или образец пород.
Но все эти приборы и устройства могут доставить материал только с поверхности дна или при подъеме колонки осадков грунтовыми трубками с глубины несколько метров; в редких случаях удавалось получить колонку грунта до 30 метров длиной. Для изучения же всей осадочной толщи и подстилающих пород необходимо бурение, так же как и на суше.
Теперь, ознакомившись с инструментарием геологов-моряков, вспомним, как зарождалась и развивалась морская геология.
|
|
Читайте в рубрике «Исследования океанов»: |