Ранней весной 1961 года группа геологов начала бурение скважины в морском дне у тихоокеанского побережья Нижней Калифорнии. Экспедиция, первая в своем роде, была начальным этапом проекта, направленного на то, чтобы пробить земную кору и достичь основной мантии. Мало ли они знали, что их усилия будут вскоре омрачены, когда Джон Ф. Кеннеди начал гонку на Луну в мае того года.
Связанный контент
- Внутренняя Земля кишит экзотическими формами жизни
- Мы, наконец, знаем, как сильно астероид, уничтожающий Дино, изменил Землю
- Вот одна очень хорошая причина, чтобы сверлить глубоко в активную ошибку
- Там может быть второй массивный океан глубоко под поверхностью
К концу 1972 года, потратив миллиарды долларов и благодаря коллективным усилиям тысяч ученых и инженеров, шесть миссий «Аполлон» приземлились на орбите Земли и принесли домой более 841 фунта лунных камней и почвы.
Между тем, геологи, привязанные к земле, которые мечтали увидеть внутреннюю работу Земли, остались с пустыми руками с остатками различных программ благодаря сокращению бюджета.
С 1960-х годов исследователи пытались пробурить мантию Земли, но пока не увенчались успехом. Некоторые усилия потерпели неудачу из-за технических проблем; другие стали жертвами разного рода неудач, в том числе, как выяснилось после факта, выбрав неподходящие места для бурения. Тем не менее, эти усилия показали, что технология и опыт для бурения в мантии существуют. И теперь первая фаза самой последней попытки достичь этой важной части нашей планеты - бурение через тонкий участок океанской коры в юго-западной части Индийского океана.
Не беспокойтесь: когда бурильщики в конце концов пробьют мантию, расплавленная горячая порода не поднимется вверх по отверстию и не выльется на морское дно в результате извержения вулкана. По словам Холли Гивен, геофизика из Института океанографии Скриппса в Сан-Диего, хотя мантийные породы действительно текут, они делают это со скоростью, подобной скорости роста ногтя.
Мантия - самая большая часть этой планеты, которую мы называем домом, но ученые относительно мало знают об этом благодаря непосредственному анализу. Тонкая фанера коры, на которой мы живем, составляет около одного процента от объема Земли. Внутреннее и внешнее ядро - твердые и жидкие массы, которые в основном состоят из железа, никеля и других плотных элементов - занимают только 15 процентов объема планеты. Мантия, которая находится между внешним ядром и земной корой, составляет приблизительно 68 процентов массы планеты и колоссальные 85 процентов ее объема.
Думайте о мантии как о лавовой лампе размером с планету, где материал поглощает тепло на границе ядро-мантия, становится менее плотным и поднимается в плавучих струях к нижнему краю земной коры, а затем течет вдоль этого потолка, пока не остынет и не утонет обратно к ядру. Циркуляция в мантии исключительно вялая: согласно одной из оценок, круговое путешествие от коры до ядра и обратно может занять до 2 миллиардов лет.
Получение нетронутой части мантии важно, потому что это помогло бы планетологам лучше выяснить сырье, из которого Земля выросла, когда наша солнечная система была молода. «Это было бы правдой для того, из чего состоит мир», - говорит Гивен. По ее словам, ее состав также позволит понять, как Земля изначально сформировалась и как она превратилась в многослойную сферу, в которой мы живем сегодня.
Ученые могут многое сделать о мантии, даже без образца. Скорости и пути сейсмических волн, генерируемых землетрясением, проходящих через планету, дают представление о плотности, вязкости и общих характеристиках мантии, а также о том, как эти свойства меняются от места к месту. Так же, как скорость, с которой земная кора поднимается вверх после того, как ее утяжеляют массивные ледяные щиты, которые недавно (в геологическом отношении) растаяли.
Измерения магнитного и гравитационного полей нашей планеты передают еще больше информации, сужая типы минералов, которые могут быть найдены в глубине, говорит Уолтер Мунк, физический океанограф из Скриппса. Ученый, которому сейчас 98 лет, входил в небольшую группу исследователей, которые впервые придумали идею сверления в мантию в 1957 году. Но эти косвенные методы могут рассказать ученому лишь о многом, отмечает он. «Ничто не заменит того, что вы хотите проанализировать в своих руках».
У исследователей есть образцы мантии в руках, но они не чистые. Некоторые из них представляют собой куски горных пород, которые переносятся на поверхность Земли извергающимися вулканами. Другие были подняты вверх из-за смятых столкновений между тектоническими плитами. По словам геологов Генри Дика и Криса Маклеода, геологи Генри Дик и Крис МакЛауд поднялись на морское дно вдоль медленно растущих хребтов среднего океана. Дик из Вудсхоллского океанографического института в штате Массачусетс и МакЛауд из Кардиффского университета в Уэльсе являются со-руководителями экспедиции глубокого бурения, только что завершившейся в юго-западной части Индийского океана.
Все текущие образцы мантии были изменены процессами, которые привели их к поверхности Земли, подвергли воздействию атмосферы или погрузили в морскую воду на длительные периоды времени - возможно, все вышеперечисленное. Эти образцы мантии, подвергшиеся воздействию воздуха и воды, вероятно, утратили некоторые из своих более легко растворяющихся исходных химических элементов.
Отсюда огромное желание получить незапятнанный кусок мантии, говорит Дик. Когда они станут доступны, ученые смогут проанализировать общий химический состав образца, а также его минералогию, оценить плотность породы и определить, насколько легко она проводит тепловые и сейсмические волны. Результаты можно сравнить со значениями, полученными из косвенных измерений, проверки или оспаривания этих методов.
Бурение до самой мантии также позволило бы геологам взглянуть на то, что они называют разрывом Мохоровича, или Мохо, для краткости. Над этой загадочной зоной, названной в честь хорватского сейсмолога, открывшего ее в 1909 году, сейсмические волны распространяются со скоростью около 4, 3 мили в секунду, скорость, соответствующая тем волнам, которые проходят через базальт или охлажденную лаву. Ниже Мохо волны распространяются со скоростью около 5 миль в секунду, что похоже на скорость, которую они проходят через бедную кремнеземом разновидность изверженной породы, называемой перидотитом. Мохо, как правило, находится на расстоянии от 3 до 6 миль ниже дна океана и от 12 до 56 миль под континентами.
Эта зона долгое время считалась границей коры и мантии, где материал постепенно охлаждается и прилипает к вышележащей коре. Но некоторые лабораторные исследования показывают, что вполне возможно, что Мохо представляет собой зону, в которой вода, просачивающаяся из вышележащей коры, реагирует с перидотитами мантии, образуя минерал, называемый серпентин. Эта возможность захватывающая, советуют Дик и Маклеод. Геохимические реакции, которые генерируют серпентин, также производят водород, который затем может реагировать с морской водой с образованием метана, источника энергии для некоторых типов бактерий. Или, отмечают исследователи, Мохо может быть чем-то совершенно неизвестным науке.
Ключ к раскрытию секретов мантии заключается в том, чтобы найти правильное место для сверления. Материал мантии поднимается на дно океана в середине океанических хребтов, где тектонические плиты медленно раздвигаются. Но эти образцы просто не подойдут. Работа через несколько миль коры под дном океана значительно меняет материал, делая образец мантии не представительным для того, что глубоко внутри Земли. По словам Дика, бурение глубины на одном из этих хребтов также проблематично. «На океаническом хребте или его ближайших флангах кора слишком горячая, чтобы пробурить более одного или двух километров».
Поэтому он и его коллеги ведут бурение в месте на юго-западе Индийского океана под названием Атлантис Банк, которое находится примерно в 808 милях к юго-востоку от Мадагаскара. По словам Дика, многие факторы делают этот регион отличным местом для экспедиции.
Структурный геолог Карлотта Феррандо исследует некоторые керны на наличие переломов и вен, которые могут сказать ей, были ли камни деформированы. (Билл Кроуфорд, IODP JRSO) 
Крошечные, деформированные минеральные зерна в этом образце нижней коры, тонко нарезанные и зажатые между материалами так, что они пропускают поляризованный свет, рассказывают, как частично расплавленная скала была сжата и растянута, когда она поднималась к морскому дну на берегу Атлантиды. (Билл Кроуфорд, Международная программа Ocean Discovery) 
Геолог Джеймс Натлэнд (слева) и соучредители экспедиции Генри Дик (в центре) и Крис Маклеод (справа) рассматривают то, что команда считает самым широким ядром, когда-либо обнаруженным программой бурения в океане. (Бенуа Ильдефонсе, IODP) С одной стороны, этот участок морского дна размером с Денвер расположен на океанской коре, возраст которой составляет около 11 миллионов лет, что делает его достаточно прохладным для бурения. С другой стороны, вершина берега представляет собой плато площадью 9, 7 квадратных миль, которое находится в пределах 2 300 футов от поверхности океана. Это делает постукивание по дну океана там, в отличие от морского дна глубиной 3, 7 мили, легким делом. Сильные океанические течения в этом районе препятствуют накоплению осадков на морском дне, в результате чего кора в основном остается открытой. Он также относительно тонкий - предыдущая сейсмическая разведка этого района показала, что толщина коры составляет всего 1, 6 мили.
Более того, океаническая кора под берегом Атлантиды сформировалась на участке срединно-океанического хребта, где верхние слои зарождающейся коры распространялись в одном направлении от рифта, а нижние слои двигались в другом. Ученые еще не уверены, как и почему это произошло. Но из-за этого так называемого асимметричного распространения, которое, вероятно, происходит на значительной части срединно-океанических хребтов мира, Банк Атлантис не покрыт хрупкими слоями верхней коры, которые могут разбиться и упасть в яму во время бурения. говорит Дик. Такой мусор может повредить буровое долото или привести к его заклиниванию, а также затруднить вымывание мелких частиц камня и грязи из отверстия.
Несмотря на преимущества бурения в Atlantis Bank, экспедиция потерпела неудачу, характерную для многих проектов бурения в океане. Проблемы с загрузкой корабля задержали отъезд команды из Коломбо, Шри-Ланка на один день. Оказавшись на месте, команда взломала буровое долото, но прежде чем они смогли выловить осколки из своей ямы, им пришлось собраться и забрать больного члена экипажа на север к Маврикию, чтобы встретить вертолет на берегу для медицинской эвакуации. Корабль, названный « Резолюция JOIDES», вернулся спустя почти неделю, и затем ему пришлось потратить пару дней, используя сильный магнит, чтобы попытаться восстановить куски сломанного сверла.
Они так и не нашли эти недостающие кусочки. Но во время последней попытки использовать сильный вакуум, чтобы попытаться вырвать их, экспедиция вернула то, что, возможно, было самым большим куском океанской коры из когда-либо извлеченных. Цилиндр темной крупнозернистой породы, называемый габбро, имеет 7 дюймов в поперечнике - в три раза больше нормального размера - и 20 дюймов в длину.
Глубина цели команды для этой экспедиции составляла 4265 футов в коре, едва на полпути к мантии. К сожалению, по состоянию на 22 января бурение достигло глубины 2330 футов ниже морского дна.
К тому времени, когда эта статья будет опубликована, в Атлантис Банке будут завершены буровые работы - для этого этапа проекта. Надеемся, что второй, уже утвержденный этап миссии завершит задачу и подключится к мантии. Но это может быть где-то через два-пять лет. По словам Дика, конкуренция за командное время со стороны других команд, которые хотят тренироваться в других частях мира, является жесткой.
По словам МакЛауда, научная команда не уйдет с первого этапа этого проекта с пустыми руками. Восстановление образцов со всей земной коры также важно. «Мы понятия не имеем, каков основной состав океанской коры в любой точке земного шара», - говорит Дик. По его словам, породы нижней коры, ранее извлеченные из других мест глубокого бурения, не были похожи на то, что ожидали исследователи
Проект Atlantis Bank позволит взглянуть на химический состав нижней коры. А полный профиль по всему слою поможет ученым понять, как магмы там химически и физически трансформируются, включая то, как мантийные породы кристаллизуются и прикрепляются к нижней поверхности коры.
Как только исследователи в конечном итоге получат образец мантии, другие команды могут присоединиться к проекту с помощью собственных экспериментов, говорит МакЛауд. «Будущие экспедиции могут сбрасывать приборы в скважину на долгие годы». Например, сейсмологи могут отправлять датчики в глубину миль, а затем напрямую измерять скорости сейсмических волн, пульсирующих в земной коре, а не выводить их из лаборатории испытания на небольших образцах породы. Исследователи также могут опустить ряд датчиков температуры в отверстие, чтобы измерить тепловой поток изнутри нашей планеты.
Несомненно, образцы океанской коры и мантии, в конечном итоге полученные из Атлантис Банка, а также данные, собранные из оставшейся дыры, будут держать геологов и геофизиков занятыми на протяжении десятилетий вперед. Но терпение - это добродетель, а то, что Дик, Маклеод и их геофизические братья делали десятилетиями, выжидают.
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы исправить атрибуцию сейсмического исследования Атлантис Банка.
