Геология океана: загадки, гипотезы, открытия
Шрифт:
В первом рейсе «Гломара Челленджера» был опробован и отлажен весь комплекс механизмов бурения и управления этим процессом. В следующих рейсах стали изучать строение осадочной линзы на континентальных окраинах и собственно океанского ложа, сначала в Северной и Центральной Атлантике и в восточных районах Тихого океана, которые были к тому времени наиболее полно исследованы геофизическими методами.
Буровое оборудование не обеспечивало проходку очень крепких пород, в частности горизонтов кремней, достаточно широко распространенных в верхней части осадочного чехла абиссальных котловин. Поэтому глубина проходки скважин в первые годы осуществления проекта глубоководного бурения не превышала нескольких сот метров. Проблема заключалась в невозможности смены бура, который быстро изнашивался при
Нередко, чтобы выполнить первоначальную задачу и достичь расчетной глубины бурения, приходилось начинать проходку второго, третьего и даже четвертого ствола. При этом к номеру скважины прибавлялся соответственно индекс А, Ви С.В дальнейшем проблема смены износившегося оборудования с продолжением бурения в том же стволе была решена. На дне стали помещать акустический маяк, подававший сигналы на поверхность.
В точке бурения вместе с ним устанавливалась гигантская, до 20 м в диаметре, воронка, сужающаяся к устью скважины. Поэтому буровая колонна, вторично опускавшаяся с борта судна, должна была попасть уже не в крошечную дыру на дне, а в створ довольно большой воронки, оборудованной акустическим датчиком.
Однако, как говорилось выше, эта система была разработана позднее. В первых же рейсах «Гломара Челленджера» предпочитали разбуривать те участки океанского дна, где мощность осадочного чехла относительно невелика, — районы срединно-океанических хребтов и прилегающие к ним части абиссальных котловин. К концу 1971 г. было пробурено около 200 скважин в различных районах Мирового океана. Главным результатом этой гигантской работы было подтверждение основных мобилистских идей. Надо отметить, что очень скоро проект глубоководного бурения приобрел международный статус. В соответствии с межправительственным соглашением и другими документами, регулировавшими научный обмен между СССР и США, во многих рейсах «Гломара Челленджера» участвовали советские ученые — морские геологи, геохимики, океанологи, литологи и другие специалисты, в том числе такие известные исследователи, как А. П. Лисицын, П. П. Тимофеев, В. А. Крашенинников, И. О. Мурдмаа, Ю. А. Богданов и др.
Научная кооперация на борту «Гломара Челленджера» и в послерейсовые периоды обработки полученных материалов принесла важные научные плоды. Уровень лабораторного исследования и интерпретации материалов оставался неизменно высоким многие годы, а их результаты публиковались уже через год после завершения очередного рейса. Голубовато-зеленые тома, издававшиеся по этим рейсам, стали одним из наиболее читаемых изданий.
Структура океана
Итак, каждый рейс «Гломара Челленджера» все шире приоткрывал завесу над тайнами океана. Постепенно начинала вырисовываться структура океанского дна, совершенно непохожая на ту, какой ее себе представляли геологи, работавшие на континентах. Здесь нужны были новые исследования. Однако главное можно было считать установленным: дно океана было повсеместно молодым. Ведь даже в периферийных районах Атлантического и Тихого океанов в основании осадочного чехла бур «Гломара Челленджера» вскрыл отложения не старше мелового и позднеюрского возраста. Последние залегали на базальтах фундамента, Которые сформировались практически в то же время. Таким образом, возраст океанского ложа не превышал 150—180 млн лет. Это ничтожно мало по сравнению с докембрийским возрастом пород, слагающих фундамент кратонов на континентах и выступающих на поверхность в пределах Балтийского, Канадского, Бразильского, Анабарского и других щитов: 1—2 млрд лет для протерозойских и 3—3,5 млрд лет для архейских образований.
Молодость фундамента в океанах можно было объяснить лишь его спредингом — формированием в рифтовых зонах срединно-океанических
Земная кора — многослойное образование. Верхнюю ее часть — осадочный чехол, или первый слой,— образуют осадочные породы и не уплотненные до состояния пород осадки. Ниже как на континентах, так и в океанах залегает кристаллический фундамент. В его строении и кроются основные различия между континентальным и океаническим типами земной коры. На континентах в составе фундамента выделяются два мощных слоя — «гранитный» и базальтовый. Под абиссальным ложем океанов «гранитный» слой отсутствует. Однако базальтовый фундамент океана отнюдь не однороден в разрезе, он разделяется на второй и третий слои.
До сверхглубокого и глубоководного бурения о структуре земной коры судили главным образом по геофизическим данным, а именно по скоростям продольных и поперечных сейсмических волн. В зависимости от состава и плотности пород, слагающих те или иные слои земной коры, скорости прохождения сейсмических волн значительно изменяются. В верхних горизонтах, где преобладают слабо уплотненные осадочные образования, они относительно невелики, в кристаллических же породах резко возрастают по мере увеличения их плотности.
После того как в 1949 г. впервые были измерены скорости распространения сейсмических волн в породах ложа океана, стало ясно, что скоростные разрезы коры континентов и океанов весьма различны. На небольшой глубине от дна, в фундаменте под абиссальной котловиной, эти скорости достигали величин, которые на материках фиксировались в самых глубоких слоях земной коры. Вскоре выяснилась причина подобного несоответствия. Дело в том, что кора океанов оказалась поразительно тонкой. Если на континентах толщина земной коры составляет в среднем 35 км, а под горно-складчатыми системами даже 60 и 70 км, то в океане она не превышает 5—10, редко 15 км, а в отдельных районах мантия находится почти у самого дна.
Стандартный скоростной разрез континентальной коры включает верхний, осадочный слой со скоростью продольных волн 1—4 км/с, промежуточный, «гранитный» — 5,5—6,2 км/с и нижний, базальтовый — 6,1—7,4 км/с. Ниже, как полагают, залегает так называемый перидотитовый слой, входящий уже в состав астеносферы, со скоростями 7,8—8,2 км/с. Названия слоев носят условный характер, так как реальные сплошные разрезы континентальной коры никто до сих пор не видел, хотя Кольская сверхглубокая скважина проникла в глубь Балтийского щита уже на 12 км.
В абиссальных котловинах океана под тонким осадочным плащом (0,5—1,5 км), где скорости сейсмических волн не превышают 2,5 км/с, находится второй слой океанической коры. По данным американского геофизика Дж. Уорзела и других ученых, он отличается удивительно близкими значениями скорости — 4,93—5,23 км/с, в среднем 5,12 км/с, а средняя мощность под ложем океанов равна 1,68 км (в Атлантическом — 2,28, в Тихом — 1,26 км). Впрочем, в периферийных частях абиссали, ближе к окраинам континентов, мощности второго слоя довольно резко увеличиваются. Под этим слоем выделяется третий слой коры с не менее однородными скоростями распространения продольных сейсмических волн, равными 6,7 км/с. Его толщина колеблется от 4,5 до 5,5 км.
В последние годы выяснилось, что для скоростных разрезов океанической коры характерен больший разброс значений, чем это предполагалось ранее, что, по-видимому, связано с глубинными неоднородностями, существующими в ней [Пущаровский, 1987].
Как видим, скорости прохождения продольных сейсмических волн в верхних (первом и втором) слоях континентальной и океанической коры существенно различны.
Что касается осадочного чехла, то это обусловлено преобладанием в его составе на континентах древних образований мезозойского, палеозойского и докембрийского возраста, претерпевших довольно сложные преобразования в недрах. Дно же океана, как говорилось выше, относительно молодо, и осадки, лежащие над базальтами фундамента, слабо уплотнены. Это связано с действием целого ряда факторов, определяющих эффект недоуплотнения, который известен как парадокс глубоководного диагенеза.