История исследования грунта дна

Вскоре началась первая мировая  война. Необходимость борьбы с подводными лодками заставила конструкторов  и инженеров усовершенствовать  системы эхолотов, позволяющих обнаружить противника. Усовершенствования эти  продолжались и по окончании войны, завершившись созданием эхолотов-самописцев: они вели непрерывный «обстрел»  океанского дна звуками и столь  же непрерывную запись результатов  этого «обстрела». Эпоха отдельных, точечных промеров кончилась. Отныне каждый рейс судна, вооруженного эхолотом-самописцем, давал не отдельные разрозненные точки, а непрерывные измерения  и позволял проводить сплошную линию, обозначающую рельеф океанского дна, над  которым прошло судно.

После второй мировой войны  океанологи получили в свое распоряжение большое число судов, «отслуживших»  на войне, и, главное, усовершенствованные  приборы: радиоакустические, радиолокационные, магнитные детекторы, аппараты для  подводной киносъемки, акваланги  и т. д. Экспедиции посыпались как  из рога изобилия.

Программа МГГ — Международного геофизического года (1957—58 год) — знаменовала  собой новый этап в изучении величайшего  океана планеты. Отныне исследования вела не одна держава, а коллектив ученых из самых разных стран, объединенных общей целью. В Тихом океане совместно  работали американские, советские, австралийские, новозеландские, индонезийские, канадские, японские, французские экспедиции.

Советское судно «Витязь», эта «плавучая академия», начиная  с 1949 года бороздящая воды морей и  океанов, к востоку от островов Санта-Крус открыла новый глубоководный  желоб — Восточно-Меланезийский, или желоб Витязя. С борта «Витязя» в Тихом океане были открыты четыре из десяти наибольших глубин Мирового океана, в том числе — рекордная, в Марианской впадине у острова Гуам, равная 11 022 метрам.

Экспедиции «Витязя» сделали  ряд важных открытий, изучая циркуляцию вод и жизнь в Тихом океане. Мы упомянем лишь одно из них, ибо оно  имеет огромное значение для всего  человечества. Ученые США считали  глубоководные желоба идеальным  местом для захоронения радиоактивных  продуктов под многокилометровой  толщей воды. Советские же океанологи обнаружили, что в этих желобах  не стоячая «мертвая» вода, здесь  происходит интенсивный обмен с  поверхностными водами. И если превратить желоба в «глубоководную свалку»  для радиоактивных отходов, это  может повлечь за собой отравление всего Мирового океана.

Вслед за изучением рельефа  дна океана началось и изучение структуры  этого дна. Каков возраст осадков, покрывающих дно Тихого океана, из чего они состоят? Чем отличается его кора от коры материков и от коры других океанов? Как по осадкам, их мощности и составу, восстановить историю Тихого океана — и тем  самым историю нашей планеты?

Первоначально техника получения  проб океанских осадков была примитивна: с борта судна опускалась драга, которая захватывала грунт с  вершин подводных гор или с  глубоководных равнин. Подобно тому, как эхолот произвел революцию в  измерении глубин, переворот в  изучении структуры океанского дна  произвели методы геофизики. По скорости прохождения звуковой волны в  различных средах (морской воде, слое рыхлых осадков, в уплотненных  осадках, в слое коры) удалось определить мощность слоя осадков в различных  частях Тихого океана, а также состав и мощность его коры.

2.4 «Гломар  Челленджер» и проект глубоководного  бурения.

С апреля 1969 года в Тихом океане началось глубоководное бурение с борта судна «Гломар Челленджер». Это судно водоизмещением 10 600 тонн снабжено буровой вышкой, буровым станком, лебедками, другими буровыми устройствами, системой, позволяющей не только удерживать установку в точке бурения, но и повторно вводить бур в скважину, меняя буровые колонки.

Для осуществления программы  глубоководного бурения в океане (deep-sea drilling project), составленной в Океанографическом  институте Скриппса при Калифорнийском университете США, необходимо было решить несколько сложнейших инженерных и  навигационных задач. Во-первых, научиться  спускать и поднимать колонны  буровых труб длиной в несколько  километров в условиях волнения и  океанской зыби. Во-вторых, создать  систему, допускающую повторное  попадание всей колонны и бурильного инструмента в устье скважины. В-третьих, обеспечить судно системой двигателей, способных удерживать его  над точкой бурения с минимальными отклонениями, так как уход его  в сторону за пределы нескольких десятков метров грозил скручиванием и отрывом буровой колонны. Последняя  задача потребовала разработки новой, высокоточной системы ориентации и  привязки, которую в открытом океане смогли обеспечивать сначала спутники, а впоследствии гидроакустические  маяки, устанавливавшиеся на дно  в окрестностях точки бурения. И  те и другие должны были достаточно часто показывать координаты судна  на бортовую ЭВМ, чтобы в минимальный  срок можно было исправить любые  отклонения в положении судна  над точкой бурения, вызванные сносом течениями, ветром и Другими причинами.

А пока проект разрабатывался и строилось буровое судно, теоретическая  мысль ученых не стояла на месте. На глазах рушились старые представления  и вырастало здание новой теории, названной французским ученым К. Ле Пишоном тектоникой литосферных  плит. Однако обо всем по порядку.

Как только появились серьезные  доказательства в пользу дрейфа материков, а вслед за ними и первые палеореконструкции, показывавшие, каким образом и  в какой последовательности произошел  распад древних суперконтинентов Пангея и Гондвана, перед учеными встали новые проблемы. Ведь если Атлантический  и Индийский океаны — относительно молодые образования, возникшие, судя по возрасту линейных магнитных аномалий и другим свидетельствам, лишь в  мезозое, то выходит, что за последние 200—300 млн лет заново сформировалась огромная по площади часть земной поверхности. Что это — свидетельство  резкого расширения нашей планеты? А если нет, то куда девается старая земная кора? Решая эту задачу, одни ученые стали разрабатывать теорию расширяющейся Земли, другие же обратили внимание на странные структуры, почти  непрерывным кольцом опоясавшие Тихий океан и глубоко избороздившие  отдельные участки дна по периферии  Атлантического и Индийского океанов.

Речь идет о самых глубоких образованиях в океане — желобах, куда еще в середине 40-х годов  погружались на батискафах отважные исследователи. Был среди них  и изобретатель многих таких аппаратов  Ж. Пикар, который в 1960 г. вместе с  американцем Д. Уолшем достиг дна  в самом глубоком из современных  желобов — Марианском на отметке 10 916 м. Глубоководные желоба как  бы охватывают дугой краевые архипелаги вулканических островов, отделяя  их от океана. Они же обрамляют в  Тихом океане Южную, Центральную  и частично Северную Америку.

Важной особенностью желобов, помимо их громадной глубины и  своеобразного рельефа, является приуроченность к ним сейсмофокальных поверхностей — зон Беньофа, вдоль которых  концентрируются фокусы большинства  землетрясений. Эти условные поверхности  сначала полого погружаются под  прилегающую к желобу сушу (под  углом 30—33°), а затем на глубине  около 300 км круто падают (до 60°), опускаясь  до 600—700 км.

Внимательный анализ показал, что эпицентры землетрясений  в океане группируются отнюдь не случайно. Значительная их часть, в основном мелкофокусных, фиксируется в районе рифтовых долин  срединно-океанических хребтов, другие же приурочены к переходным зонам  от континентов к океанам. Причем большинство, в том числе все  глубокофокусные, происходит в пределах так называемых активных окраин континентов  и островных вулканических дуг, расположенных по периферии Тихого океана, т. е. как раз там, где находятся  глубоководные желоба. Они, что называется, жестко привязаны к зонам Беньофа. Более того, в тех же районах  сосредоточена и основная вулканическая  деятельность, продукты которой имеют  преимущественно средний и основной состав — андезиты и базальты.

Так что же происходит в  этих районах, где проявляется в  столь драматической форме тектоническая  активность недр? Этот вопрос остается до сих пор предметом ожесточенных споров. И немудрено. В ответе на него заключена окончательная судьба фиксистских концепций. Ведь если глубоководные  желоба всего лишь трещины в земной коре, указывающие на ее растяжение, то, следовательно, можно говорить о  расширении поверхности нашей планеты, которое происходит в основном в  срединно-океанических хребтах, но вызывает также растяжения в краевых зонах  океана.

Для мобилистов же глубоководные  желоба и связанные с ними зоны Беньофа, напротив, являются символами  совсем иных процессов, протекающих  в условиях сжатия и получивших собирательное  название «субдукция» (подвиг). Согласно мобилистской концепции, в зонах субдукции происходит погружение и расплавление древней коры океана или окраинных глубоководных морей, т. е. процесс, компенсирующий формирование молодой океанической коры. Именно поэтому раскрытие в мезозое и кайнозое Атлантического и Индийского океанов не означало внезапного разрастания диаметра Земли.

Оно шло за счет уничтожения  палеозойской и раннеме-эозойской  коры древних океанов, к которым  принадлежит Тихий океан, а также  исчезнувший океан Тетис. Заталкивание отдельных блоков океанической коры под континент или островную  вулканическую дугу сопровождается серией землетрясений. Их фокусы располагаются  вдоль глубинной границы, где  соприкасаются погружающаяся плита  и край той плиты, под которую происходит подвигание. С расплавлением вещества в зоне субдукции связан подъем магматических расплавов к поверхности, в результате чего активизируется вулканическая деятельность.

И действительно, во всех районах, где существуют глубоководные желоба и приуроченные к ним зоны Беньофа, можно обнаружить цепочки вулканов. Они располагаются на краю континента, как в Южной Америке (со стороны  Тихого океана), либо образуют вулканические  архипелаги островов, выгибающиеся дугой  в сторону океана. Именно поэтому  последние получили название островных  вулканических дуг. К ним относятся  Курило-Камчатская, Алеутская, Японская, Идзу-Бонинская, Марианская, Филиппинская, Тонга-Кермадекская и еще десятки  других, расположенных в краевых  частях океанов.

Проанализировав глобальную схему распространения срединно-океанических хребтов и рифтовых долин, с одной  стороны, и глубоководных желобов  с зонами субдукции — с другой, К. Ле Пишон разделил земную твердь на восемь крупнейших литосферных плит (помимо них, существует еще несколько  десятков микроплит). Согласно его схеме, границы этих плит проходят по рифтовым долинам срединно-океанических хребтов, глубоководным желобам и некоторым  трансформным разломам. В крупнейшие из них (за исключением Тихоокеанской  плиты и плиты Наска) впаяны континенты. Они перемещаются вместе с литосферной  плитой. В процессе ее разрастания  в так называемых спрединговых центрах  — рифтовых долинах — плита  увеличивает свою площадь. Помимо конструктивной границы плиты, вдоль которой  она формируется, существует деструктивная  граница, где происходит ее разрушение. В современной структуре земной поверхности разрушаются в основном плиты, выделяемые в Тихом океане,—  Тихоокеанская, Кокос и Наска. Именно на них как бы наползают молодые  плиты, т. е. возникшие при рождении Атлантического и Индийского океанов. Плиты располагаются над гигантскими  конвекционными ячейками в мантии Земли, образуемыми восходящими и нисходящими  ветвями — потоками вещества и  тепла. Восходящий поток выходит  на поверхность в пределах конструктивной границы плиты, т. е. в рифтовых долинах, нисходящий поток зарождается в  зонах Беньофа под активной окраиной континента или под островной  вулканической дугой. Таким образом, континенты медленно «плывут» по поверхности  мантии, как по эскалатору: за ними возрастает количество ступенек, перед ними происходит погружение ступенек, правда, другой плиты. В качестве ступенек выступают участки  океанической коры, болеее молодые  — в начале ленты транспортера (они фиксируются в виде полосовых  магнитных аномалий), более древние  — у погружения ленты транспортера.

Можно еще много говорить о принципах, положенных в основу тектоники литосферных плит, но главное  то, что земная кора оказывается  невечной. Она проходит свой жизненный  цикл, как и все во Вселенной. Только циклы эти в миллионы раз длиннее, чем жизнь живых существ на Земле, и несравненно короче тех  циклов, которые проходят небесные тела. Таким образом, тектоника плит раскрывает механизм обновления нашей  древней планеты, дает возможность  угадывать ход дальнейшей эволюции.

Как и всякая теория, тектоника  плит, связав воедино до того разрозненные и плохо объяснимые геологические  явления, нуждалась в экспериментальном  подтверждении. Ключ к доказательству ее истинности в буквальном смысле лежал на дне океана. Действительно, если океаническая кора относительно молода и если за пределами окраин континентов отсутствуют породы домезозойского возраста (а сам этот возраст будет уменьшаться по мере приближения к рифтовым зонам  срединно-океанических хребтов), то это  будет доказательством существования  механизма спрединга океанского дна и вообще относительной молодости  коры океана. Только глубоководное  бурение могло дать ответ на многочисленные вопросы о его строении и истории  развития.

Между тем основные технические  проблемы, стоявшие перед создателями  проекта глубоководного бурения, были как будто преодолены, и первое буровое судно такого типа, оснащенное ЭВМ и системой спутниковой навигации, вышло в море. В честь знаменитого  предшественника, доложившего начало научным изысканиям в океане, оно  было названо «Гломаром Челленджером».

Первая точка для глубоководного бурения была выбрана в Мексиканском заливе, во впадине Сигсби, где геофизики  установили присутствие на дне крупных  куполов, как предполагалось образованных соляными диапирами. Бурение, проводившееся  у подножия подводного уступа Сигсби, оправдало надежды специалистов и дало блестящие результаты. Буровая  колонна проникла на глубину 770 м, что  позволило отобрать керн осадков  и пород в той части морского дна, которая дотоле оставалась «белым пятном» (впрочем, как и почти  весь океан) на геологической карте.

В первом рейсе «Гломара Челленджера» был опробован и  отлажен весь комплекс механизмов бурения  и управления этим процессом. В следующих  рейсах стали научать 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.