Учёные готовят путешествие к земной мантии

С помощью японского судна для глубоководного бурения «Тикю» исследователи готовятся добраться до разлома, который вызвал разрушительное землетрясение Тохоку в прошлом году. 

Учёные собираются дойти аж до мантии, чего ещё никому не удавалось. 

Если проект получит зелёный свет, это будет одно из самых выдающихся достижений науки, сопоставимое с полётом на Луну. Полученные данные могут перевернуть представления об эволюции и строении Земли. Существует даже вероятность того, что мы найдём нечто непредвиденное. 

Геологам не в первый раз захотелось добраться до глубин планеты. В 1909 году хорватский метеоролог Андрий Мохоровичич обнаружил, что сейсмические волны, вызванные землетрясениями, распространяются значительно быстрее в слоях, расположенных ниже 30 км, чем в более верхних. Это говорит об ином составе и иных физических свойствах пород на такой глубине. Рубеж получил имя первооткрывателя и с тех пор считается верхней границей мантии. 

Теперь геологам известно, что верхняя часть мантии залегает в 30–60 км под поверхностью, а на некоторых участках морского дна — всего в 5 км. Процессы, происходящие там, двигают литосферные платформы, развязывают землетрясения и создают вулканы. 

Следующий шаг на пути к мантии был сделан в конце 1950-х. В то время теория тектоники плит всё ещё находилась в жаркой дискуссионной стадии. Гарри Гесс и другие её сторонники утверждали, что горячие конвективные потоки из глубин мантии управляют движением тектонических плит по поверхности планеты. Поскольку требовались фактические доказательства, Гесс и его коллега Уолтер Мунк обратились к своим приятелям из Национальной академии наук США. Так в апреле 1957 года родился проект Mohole. Легенда гласит, что это произошло в солнечной Калифорнии за завтраком с обильными винными возлияниями. Мол, по-другому заседания так называемого Американского общества всякой всячины не проходили. 

Энтузиастам пришлось решать множество проблем от поиска средств до изобретения технологии, позволявшей удерживать буровое судно на одном месте в открытом море. Увы, последнюю нельзя было заимствовать у нефтяников, поскольку те в то время ещё не бурили в глубоких водах. Поэтому была разработана методика динамического позиционирования, которая подразумевает ловко размещённые по всему судну винты и двигатели. Первый керн был получен с глубины 183 м у берегов карибского острова Гваделупа в апреле 1961 года. Он же стал последним. 

Вскоре после возвращения экспедиции ведущие учёные были оттёрты от управления проектом, финансирование пошло по нисходящей, и некий молодой политик по имени Дональд Рамсфелд добился того, что в 1966 году конгресс проголосовал большим пальцем вниз. 

Но геологи не сдавались, на смену павшим вставали другие, и бурение океанической коры продолжалось. Тем не менее никому ещё не удавалось пройти более трети пути к мантии. Рекорд удерживает 1507-метровая скважина на побережье Коста-Рики. Это не самая глубокая дыра (даже в океанической коре), но именно в этом месте учёные оказались к мантии ближе всего — толщина коры там всего 5,5 км. 

Что касается нового проекта, получившего название Mohole to Mantle, то у него есть чёткое научное обоснование. Хотя на мантию приходится 68% массы Земли, мы очень мало знаем о ней. «У нас нет ни одного чистого образца мантии», — подчёркивает участник коллаборации Деймон Тигл из Национального океанографического центра Великобритании. 

Некоторые образцы достигают поверхности, но все они загрязнены. Например, редкие мантийные конкреции, встречающиеся в лаве, говорят о том, что мантия состоит из минералов, богатых магнием и бедных кремнием (оливина, пироксена и др.). Кое-где на дне океана породы, которые когда-то были частью мантии, обнажены, однако при контакте с морской водой они сильно изменили свой состав. Разница примерно та же, что между марсианскими метеоритами и непосредственными пробами пород Красной планеты. А без чистых образцов невозможно подтвердить даже простые факты вроде состава мантии, способов её формирования и т. д. 

Приходится строить теории на косвенных доказательствах. Например, можно отслеживать скорость сейсмических волн, как это делал Мохоровичич. Кроме того, есть метеориты, выкованные из того же космического мусора, что и наши скалистые планеты. Есть и более экзотические методы вроде наблюдений за нейтрино, которые образуются при распаде некоторых элементов. 

В результате многие вопросы остаются без ответа. Лишь в том случае, если в руки учёных попадут индикаторы мантийной конвекции (например, благородные газы и соответствующие изотопы), можно будет выяснить, как и когда наша планета разделилась на ядро, мантию и кору и когда началась тектоника плит. Состав верхней мантии показал бы, как вода, углекислый газ и энергия передаются в кору и как они влияют на глобальные геохимические циклы. Если бы удалось разобраться, насколько мантия гетерогенна, стало бы понятно, как магма поднимается, а затем извергается в срединно-океанических хребтах. 

Пожалуй, в мантии можно найти и жизнь. Конечно, это будут не жюльверновские монстры, но значимость открытия от этого не убавится. И, кстати, подобные экстремофилы не так уж невозможны. 

В прошлом году Таллис Онстотт из Принстонского университета (США) обнаружил микроскопических круглых червей (нематод) на глубине 4 км в южноафриканской золотой шахте. Он же выяснил, что одноклеточные микробы живут на ещё большей глубине — до 5 км. 

Под морским дном микроорганизмы найдены на глубине 1,6 км близ восточного побережья Канады. Исследователи предположили, что им сотни миллионов лет, ибо они вроде бы делятся раз в сто тысяч лет. 

Высокое давление на больших глубинах не проблема для многих экстремофилов. Лабораторные испытания показали, что микробы способны переносить тысячу атмосфер. Бактерии обнаружены и в Марианской впадине под 11-километровой толщей воды. Кстати, давление в чрезвычайно горячей среде даже полезно, поскольку не позволяет воде кипеть. 

Таким образом, решающим фактором может быть температура. Чуть ниже границы Мохоровичича она достигает, по некоторым оценкам, 120 ˚С. «Это соблазнительно близко к верхнему пределу известных форм жизни — 122˚», — отмечает Джон Паркс из Кардиффского университета (Великобритания). 

Тем не менее Мэтт Шренк из Университета Восточной Каролины (США) считает, что шансы найти мантийную жизнь невелики. Циркуляция жидкости там весьма ограничена, а потому приток питательных веществ очень мал. 

Несмотря на свои сомнения, г-н Шренк поддерживает проект Mohole to Mantle, ибо он поможет определить физиологические пределы жизни и даже изучить изменения климата, поскольку биосфера способна повлиять на глубокую часть углеродного цикла. Тамошняя жизнь может также оказаться полезной в медицине, поскольку местные организмы могут обладать уникальными ферментами или осуществлять невиданные на поверхности биологические процессы. 

Образцы мантии распутают также загадки, касающиеся роли микробной жизни в эволюции планеты. Недавнее исследование геофизика Нормана Слипа из Стэнфордского университета (США) показало, что жизнь способна углубляться в кору, а её продукты (например, аммоний) могут просачиваться ещё ниже. По сути, весь азот в мантии произошёл от аммония, выработанного органикой. Это повышает вероятность того, что жизнь на заре земной истории изменила состав мантии и что образцы, позволяющие изучить тот период, всё ещё находятся там. 

Но вернёмся к технической части проекта. Г-н Тигл сравнивает бурение шестикилометровой скважины в Тихом океане с опусканием стальной нити толщиной с человеческий волос в бассейн двухметровой глубины, после чего проволочкой надо будет продолбить фундамент ещё на три метра. Проще говоря, придётся изготовить бур, какого ещё не было на свете. 

И дело не только в длине, но и в материале сверла. При бурении отверстия диаметром 30 см в твёрдых магматических породах со скоростью 1 м/ч головка живёт лишь около 50 часов. А зубцы могут сточиться ещё быстрее. Новый сверхтвёрдый материал должен будет также выдерживать давление в 2 кбар и температуру до 250 ˚C. 

К счастью, доклад, выпущенный в 2011 году фирмой Blade Energy, говорит о том, что проект технически осуществим. «Обычно бывает наоборот, — говорит г-н Тигл. — Инженер что-то изобретает и затем интересуется, пригодится ли это учёным. А в последнее время наука бежит впереди технологий». 

Ещё одна проблема — финансирование. Денег требуется столько, что без политической воли не обойтись. Одна только работа судна «Тикю» обойдётся в $1 млрд. Правительство Японии взяло на себя львиную долю расходов, ведь проект в конечном итоге может помочь в прогнозировании землетрясений. Другие страны тоже выразили заинтересованность. 

Если все финансовые вопросы будут решены в следующем году, учёные надеются добраться до мантии в течение десятилетия. Предстоит, кстати, выбрать одну из трёх площадок. Все они находятся в Тихом океане (один из кандидатов — как раз то место, где бурили предшественники из проекта Mohole), и каждый расположен относительно близко к срединно-океаническим хребтам, где формируется новая кора. Поднятие магмы приводит к повышению морского дна, поэтому там относительно мелко. Кроме того, породы там сравнительно холодные. Наконец, кора образуется довольно быстро, а значит, она довольно однородна, что тоже облегчает задачу. 

Подготовлено по материалам NewScientist.

Текст: Дмитрий Целиков