Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"
Автор книги: Сергей Бердышев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 24 (всего у книги 25 страниц)
Раскрываются тайны земного рельефа
Лицо человека, верили древние физиогномисты, несет неизгладимый отпечаток пережитого и знак неотвратимой судьбы. Переменчивый облик планеты отражает все исторические потрясения. Земной рельеф был сформирован различными геологическими силами, которые проявляют себя и ныне. В 1963 г. жители Исландии наблюдали рождение вулканического острова Суртсэй. Жители приморских районов Калифорнии ежедневно наблюдают разрушение песчаных пляжей. Рельеф выдает человеку секреты земной истории и рассказывает о сокровищах, скрытых глубоко в недрах.
Открытия геоморфологииСлово «рельеф» было заимствованно из французского языка, где изначально обозначало неровность, выпуклость. Долгое время рельефами называли исключительно выделяющиеся, объемные лепнины и резные украшения на поверхности стен и изделий. В наше время слово приобрело новое значение, которое значительно потеснило прежнее и стало основным. Рельефом в географии и смежных с ней науках называется совокупность всех форм и структур земной поверхности, образующих географические объекты или, если рассматривать в целом, ландшафтные комплексы.
Изучение рельефа позволяет выявить закономерности соответствия разных географических объектов и залежей ископаемых. Поскольку земной шар велик, то в разных его областях протекают несходные геологические процессы – землетрясения, вулканические извержения, накопление илов в реках или торфа в болотах и пр. Это приводит к образованию неодинаковых глубинных структур земной коры. В результате в разных местностях возникают условия для появления строго определенных видов ископаемых. Другие виды минерального сырья здесь уже образоваться не могут, их следует искать в другом месте.
Но те же самые геологические процессы, которые приводят к образованию полезных ископаемых, завершаются возникновением каких-либо форм рельефа. Причиной тому является тот факт, что земная поверхность (геологи называют ее дневной, т. е. освещаемой лучами солнца) представляет собой своеобразную крышу исполинского строения – каменной коры нашей планеты. Практически любые изменения и перестройки на «этажах» земной коры завершаются преобразованием дневной поверхности.
Передвижения блоков, размывание толщи пород, рождение и разрушение глубинных структур, накопление химических и органических осадков вместе с обломочным материалом приводит к тому, что земная поверхность оказывается испещренной различными формами. Среди этих форм впадины, рвы, каньоны, горы, утесы, рифы, обрывы, равнины, низменности и пр. Все эти неровности в совокупности составляют рельеф планеты и отдельных ее местностей.
Главными формами континентального рельефа являются равнины, высокие возвышенности (горы), занятая океаническими водами зона материковой отмели, или шельфа. Равнины по геологическому строению могут являться поверхностью таких крупных геологических структур, как щиты и платформы. Платформы перекрыты мощным осадочным чехлом, т. е. толщей осадочных пород, лежащих поверх кристаллического фундамента. Щиты почти полностью лишены осадочного чехла и представляют собой обширные выходы кристаллического фундамента на дневную поверхность.
Осадочный чехол платформ может содержать угли, нефть, газ, прочие полезные ископаемые, строительный камень, гипс. Щиты богаты месторождениями железных руд. Горные районы, занимающие до 30 % поверхности суши, различаются по возрасту. Земля пережила несколько эпох горообразования. Наиболее молодые горы богаты полиметаллическими рудами, иногда недра таких гор содержат немало строительного камня.
Древнейшие горы испытывают в настоящий момент разрушение, хорошо заметное по ряду признаков. Они представляют собой наиболее богатые полезными ископаемыми структуры, поскольку в таких областях на протяжении сотен миллионов лет протекали интенсивные геологические процессы. Здесь находятся месторождения полиметаллических руд, включая железо, никель, уран, медь, ртуть, а также золотые, платиновые и алмазные россыпи.
Наконец, существуют т. н. омоложенные горы, т. е. такие, которые имеют солидный возраст, но испытывали несколько поднятий и не успели значительно разрушиться. Здесь тоже в изобилии встречаются руды черных и цветных металлов, всевозможные россыпи, коренные месторождения алмазов и благородных металлов. Впрочем, существует и другая классификация гор, основанная на глубинном строении их недр.
Различают глыбовые (глыбообразные), складчатые и куполообразные горы. Первые возникают при резких вертикальных подвижках отдельных блоков земной коры. Вторые рождаются при сжатии земных слоев в складки, третьи появляются в местах внедрения в земную кору горячих магматических тел – батолитов, происходящих из более глубокого расплавленного вещества планеты. Что касается материкового шельфа, представляющего область континента, занятую океаническими водами, то здесь в осадочном чехле часто встречаются богатейшие месторождения газа и нефти.
«Находясь на высоте двух с половиной тысяч метров, мы были поражены, увидев под собою прекрасную карту мелей, глубоководной воды и фарватера. Воистину, перед нами раскрыта гигантская географическая карта», – так сообщает о своих впечатлениях один из первых аэронавтов. Поднимаясь на монгольфьерах, эти смелые люди увидели землю совершенно другой.
Конечно, наземные наблюдения крайне необходимы, однако они не дают человеку достаточного количества информации. По-настоящему исследовать земную поверхность можно только с большого расстояния, когда она предстает в совершенно новом виде. Всякий, кто знаком с творчеством художников-пуантилистов, прекрасно понимает, о чем идет речь. Пуантилизм сводится к тому, что картины составляются из крупных бесформенных мазков. Стоит зрителю отойти подальше от полотна, как мазки сливаются во вполне реальное изображение.
Нечто подобное происходит и при наблюдении суши с воздуха. Высота позволяет увидеть много нового. Разрозненные детали сливаются в единое целое, крупные формы преобладают и предстают в истинном свете, мелкие детали исчезают. Генерализация безусловно является главным достоинством воздушных наблюдений. Образы ландшафтов предстают перед человеком как подробнейшие карты, лишенные всяческих пунктиров и искусственных контуров.
Наглядность – другое, не менее важное достоинство такого метода географических и геоморфологических изысканий. Несмотря на генерализацию, человек видит все как есть. Никаких белых пятен, условных значков, никаких обманчивых цифр или линий. Третье существенное достоинство метода заключается в широте обзора. Только с воздуха, например из корзины монгольфьера или гондолы дирижабля, можно охватить взглядом сразу большую площадь и верно оценить расположение на ней разнообразных объектов.
Однако увидеть мало. Для полноценных исследований требуется еще и запечатлеть увиденное. Это стало возможным после изобретения фотографической техники в конце XIX в. Первым провел фотографирование земли с воздуха один из пионеров авиации, фотограф и журналист Надар. Близкий друг Ж. Верна и прототип многих героев романов писателя, Надар полностью разделял его мнение о необходимости начать изучение земли с высоты птичьего полета.
В 1880-х гг. воздушные съемки проводятся во многих странах. В 1886 г. аэрофотосъемка была впервые осуществлена в России. Тогда командир I военно-воздухоплавательной части А. М. Кованько совершил полет на воздушном шаре над Санкт-Петербургом и сделал несколько фотографий города. Дальнейшее развитие аэрофотосъемка получила только в XX в., поскольку именно в новом столетии появилась необходимая для таких работ фотографическая техника.
Однако научного интереса воздушные фотографии почти ни у кого не вызывали. Многие видели в снимках разновидность фотоискусства, ценные материалы попадали в журналы по современной живописи. Зато методом заинтересовались военные. Уже во время русско-японской войны 1904–1905 гг. нашими мастерами аэрофотосъемки выполнялись разведывательные снимки, данные с которых использовались в военных операциях. Несомненная польза аэрофотографий в военном деле была своевременно оценена на Западе, и во время Первой Мировой войны воздушный шпионаж достиг невиданного размаха.
Только в середине 1920-х гг. географический метод впервые применили для изучения состояния лесного хозяйства, а также в картографических целях. На конец 1920-х – начало 1930-х гг. приходится появление внезапного интереса к аэрофотосъемке. Выполняются первые фотографии болот, рек, растительности, рельефа. Высокое качество фотографий рельефа привлекло к себе внимание геологов. Снимки содержали массу уникальных геоморфологических данных, которые невозможно было получить путем непосредственных замеров или наблюдений.
Научная ценность фотографий состоит прежде всего в том, что некоторые данные аэрофотосъемки получить никаким другим путем нереально. К примеру, никак нельзя определить по обычной карте происхождение того или иного ландшафта. Воздушные фотографии показывают, каким материалом сложены элементы поверхности, в результате каких процессов они сформировались, как взаимодействовали друг с другом на протяжении тысячелетий.
По фотографиям сравнительно легко отличить аллювиальные (намывные) равнины от денудационных (выветрелых).
На снимках видны протекающие в настоящий момент процессы: выветривание пород, размывание берегов, движение дюн. Высохшие и заросшие лугами русла рек показывают, где в прошлом была вода и могут находиться сейчас запасы грунтовых вод. Линии моренных валунов маркируют собой границы ледников. Выходы пород разного состава зачастую отчетливо различимы. По этим выходам нетрудно вообразить строение недр местности.
Реки и возвышенности являются лучшими помощниками геологов, когда требуется заглянуть в недра Земли. Смещения блоков и складки пластов заметны на поверхности по рельефу возвышенных участков и по водоразделам. Реки прокладывают русла вдоль границ глубинных структур. Поднятия, плато и горы своим наружным строением, которое доступно подробному изучению только с воздуха, выдают наличие тех или иных структур на большой глубине, под ровной и почти гладкой толщей осадочного материала.
Поскольку геологические структуры и геоморфологические образования зачастую служат подземными кладовыми или маркерами таких кладовых, то аэрометоды дают информацию о месторождениях или районах, перспективных на какой-то вид ископаемых.
Например, Прикаспийская низменность никому прежде не казалась уникальным геологическим образованием, с которым можно связать какие-то перспективные месторождения. Фотографирование показало, что здешняя поверхность сложена мощной толщей осадочных пород. Они были нанесены частично Волгой, которая неоднократно меняла свое русло и откладывала в своей дельте тонны илов и обломочного материала, а частично самим Каспием. Самое большое на планете озеро, которое правильнее называть озером-морем, неоднократно разливало свои воды по всему нижнему течению Волги, доходя до окрестностей Саратова.
Могучая толща осадков заполняет исполинскую котловину, образованную подвижными блоками кристаллического фундамента. Эти древнейшие блоки земной коры, на которые наслаиваются осадочные отложения рек, озер и морей, в Прикаспийской низменности гигантскими ступенями уходят вниз. Обширный провал имеет глубину свыше 12 000 м! Это означает, что в гигантскую впадину легко поместятся величественные Гималаи и даже океанические вулканы Гавайских островов.
Аэрофотосъемка Прикаспийской низменности выявила солевые купола, на месте которых возникли соленые озера типа Эльтона и Балахаша, выявила характер залегания осадочных пород и прочие интересные подробности. Геологи, привлеченные необычным строением местности, провели исследование нескольких перспективных районов. Особое внимание они обратили на Апшеронский полуостров, где впоследствии в мощной толще древнейших волжских наносов, получившей название «Продуктивная», удалось найти нефть.
Несмотря на совершенство аэрометодов, в последнее время не менее важное значение приобретает космофотосъемка. Она дает ученым возможность охватывать вниманием гораздо большие площади земной поверхности, вплоть до всего земного шара. Космические фотографии несут генерализованное изображение деталей рельефа. В каком-то смысле сильное обобщение изображения можно считать большим недостатком.
Но геологи, правильно анализируя получаемую информацию, умеют извлекать из этого недостатка большую выгоду. При высокой степени генерализации, которую обеспечивает космофотосъемка, видны громадные геоморфологические структуры. Никакими наземными методами, а также аэрометодами эти структуры изучить невозможно. Лишь из космоса становится заметным, как сливаются разнообразные комплексы пород в более сложный агрегат.
Впервые фотографию рельефа Земли из космоса сделал 6 августа 1961 г. «второй» (т. е. второй после Ю. Гагарина) космонавт Г. Титов с борта корабля «Восток-2». Принято считать этот знаменательный день датой рождения космофотосъемки. Но при этом нужно заметить, что становление геологической косморазведки произошло гораздо позднее, а именно – 13 октября 1964 г. Тогда на борту корабля «Восход» космонавты В. М. Комаров, Б. Б. Егоров и К. П. Феоктистов выполнили первый в истории человечества эксперимент по геологическому фотографированию земной поверхности. В частности, были засняты обширные районы Тибета, не исследованные до того времени не только геологами, но даже географами.
Космофотосъемка просматривает недра планеты на невероятные глубины, вплоть до границы Мохоровичича. Естественно, камень не становится прозрачным, с какой бы занебесной высоты на него не смотрел человек. Но этого от земной коры и не требуется. Космические фотографии выявляют гигантские структуры, уходящие глубоко в недра и являющиеся элементами строения кристаллического фундамента громадных платформ, складывающих материки. Таким образом, наблюдения с орбиты помогают увидеть детали строения нижних этажей земной коры, перекрытых мощной толщей осадков и обломочного материала.
В числе наиболее примечательных структур следует назвать линеаменты, иначе, линейчатые структуры земной коры. Они возникают на границах литосферных плит, в местах наиболее существенных подвижек, сопровождающихся разломами. Линеаменты являются как бы поверхностным отображением глубинных разломов коры. Эти образования возникают при разрывах коры в области рифтовых долин.
Техника космической съемки позволяет при разном масштабе фотографий выявить линеаменты разных размеров, природы, происхождения и значения. С линейчатыми структурами связана история планеты, процессы горообразования, сейсмическая и вулканическая активность, образование ряда полезных ископаемых. Изучение этих структур крайне необходимо для познания законов геологии.
Слышать Землю
Всякий раз, когда популяризаторам науки случается говорить о головокружительных ее успехах, неизменно звучит фраза о том, что приборы стали продолжением нашего взгляда. Благодаря этому, а в еще большей степени благодаря знаниям, которые служат продолжением нашего внутреннего зрения, люди могут видеть все. Повторяется в популярных книгах и классическое изречение: хотя орел видит дальше, чем человек, человек видит больше, чем орел!
Спорить с этим нельзя, да и незачем. В заключительном разделе книги хотелось бы оттолкнуться от рассуждений об остроте нашего зрения и прояснить вопрос об остроте нашего слуха. Слышит ли человек настолько хорошо, чтобы прослушивать, например, насквозь Землю?
Открытия сейсмологииСейсмология – наука о подземных толчках и землетрясениях. Ранние сейсмологические представления были присущи всем народам, знакомым с внутренними стихиями Земли. Древние греки полагали, что сотрясения суши вызываются чудовищными волнами, насылаемыми на берега властителем морской стихии, богом Посейдоном. Более поздние воззрения не отличались оригинальностью. Люди по языческой традиции долгое время связывали катастрофические подземные толчки с деятельностью высших сил, которых чем-то прогневало грешное человечество. Впрочем, уже в те времена возникла потребность изучать и систематизировать сведения о подземных сотрясениях.
Первоначально эти сведения заносились в хроники и только потом стали изучаться геологами. Всего мировая летопись содержит сведения о 2574 катастрофических землетрясениях и десятках тысяч сравнительно малых сотрясений. Серьезные исследования страшного природного явления начались в XVIII столетии. Интерес к нему был вызван толчком чудовищной силы. В 1755 г. произошло Лиссабонское землетрясение, одна из самых страшных катастроф в истории человечества.
Великий И. В. Гете стал невольным свидетелем катастрофы. Тогда он был еще ребенком и впоследствии записал свои детские впечатления: «Священники в проповедях говорили о небесной каре. Мальчик, которому пришлось неоднократно слышать подобные разговоры, был подавлен. Господь Бог, вседержитель неба и земли, совсем не по-отечески обрушил кару на правых и неправых». Маленький Гете проникся настроениями, которые были распространены среди людей. Катастрофа заставила многих трезво взглянуть на природные катаклизмы и увидеть в них прямое следствие необратимых геологических процессов.
Уже в 1757 г. М. В. Ломоносов, увлекшись ростом ранних сейсмологических исследований, пишет свой труд «О рождении металлов от трясения Земли». Великий русский ученый прекрасно понимает, что кажущаяся спокойной земная твердь весьма активна. Подвижность является естественным состоянием земной коры. Оттого слои горных пород не лежат по линейке. Незачем искать развалины городов, якобы наказанных небом, чтобы наблюдать в руинах следы сейсмических толчков.
Почти любой участок планеты несет в себе отпечаток недавних или древнейших каменных штормов, которые бушевали задолго до того, как эти места были заселены человеком. Ломоносов выражает свои мысли следующим образом: «Все лицо земное исполнено явственными сего доказательствами. Где токмо не увидишь с расселинами горы; тут оставшиеся следы земного трясения быть не сомневаться».
Итак, сотрясения коры планеты происходят сами по себе, без вмешательства высших сил. Глубинные толчки беспокоили мир за миллионы лет до появления на Земле человека, меняя облик ландшафтов.
Вплоть до XX в. ученые не могли точно охарактеризовать подземную стихию. Да и сейчас многое в сейсмологии по-прежнему остается делом будущего. Однако накоплено уже немало сведений. Если из глубин Вселенной информацию о происходящих там процессах до нас доносит свет, то информацию о событиях, протекающих в сердце массивного тела Земли, могут сообщить сейсмические толчки.
Они порождены глубинными явлениями, неведомыми человеку, и потому отражают самую суть этих явлений, служат прямым последствием тектонических подвижек земного вещества. Каждое землетрясение порождает колебания пород, т. н. сейсмические волны, которые по своей природе близки звуковым. Идея прослушивать посредством приема этих колебаний планетные недра зародилась на рубеже XIX–XX вв., а стала целенаправленно реализовываться в начале XX столетия.
Одним из пионеров прослушивания недр являлся хорватский ученый А. Мохоровичич. Проводя свои изыскания в 1909 г., он пришел к знаменательному открытию. Тогда уже было многим известно, что скорости волн растут с глубиной. Этому существовало разумное объяснение. Каменное вещество по мере повышения давления в недрах уплотняется, а в более плотной среде колебания идет быстрее. Мохоровичич обнаружил, что сейсмические волны, приходящие с глубины около 50 км, внезапно повышают свою скорость на значительную величину.
Следовательно, на данной глубине происходит раздел сред, иными словами, поразительный скачок плотности вещества. Граница была названа в честь первооткрывателя, а ученые с большим интересом начали прослушивать Землю в надежде заглянуть глубоко в недра. К исследованию строения планеты подключился американский ученый Б. Гутенберг, который в 1914 г. порадовал мир новым открытием. На глубине порядка 2900 км происходит очередной скачок плотности, но на сей раз вещество становится менее плотным. На это указывала изменившаяся скорость продольных сейсмоволн.
Медленные поперечные волны были целиком поглощены глубинным слоем. Данные измерений недвусмысленно указывали на то, что сердцевина планеты образована жидкостью. Поскольку жидкие вещества почти несжимаемы, то плотность здесь оказалась весьма низкой. Планета обладала очень необычным строением, но и это не смущало геофизиков. Наиболее поразительным оказалось другое. Волны, проходившие сквозь жидкость, преломлялись несколько раз, как если бы по пути преодолевали какую-то новую среду. Любопытно, что и скорость после очередного преломления возрастала.
Найти объяснение этому явлению удалось лишь в начале 1930-х гг., когда датский сейсмолог И. Леман завершила свои измерения. Она показала, что странный ход сейсмических колебаний вызван присутствием в центре Земли твердого и очень плотного ядра. Итак, Земля имеет двойное ядро. Позднейшие измерения, гораздо более точные, выявили следующее. Земля сложена несколькими слоями плотного вещества, неоднородными по химическому составу.
В период своего образования наша планета представляла собой сгусток космической туманности, в котором химические элементы были распределены равномерно по всему объему. По мере формирования планеты из этого сгустка элементы, в зависимости от своей массы, перемещались в предпочтительном направлении. Легкие атомы выдавливались наверх гораздо более тяжелыми, происходило расслоение земного вещества.
В результате поверхностный слой оказался сложенным преимущественно кремнием и алюминием. Этот слой получил название земной коры. Каменные породы коры являются, как ни странно, наименее плотными веществами. Ниже, за границей Мохоровичича, называемой еще границей Мохо, расположена мантия. Она образована преимущественно более тяжелыми соединениями кремния и магния. Она неоднородна, но распадается на два слоя – верхнюю и нижнюю мантию. Начинается мантия на средней глубине 30–33 км.
Данная цифра условна, поскольку толщина земной коры неодинакова на всем ее протяжении. Под океанами мощность коркового вещества колеблется в пределах 4–15 км, а под континентами достигает в среднем 30–50 км, при максимальном значении 70 км. Температура мантийного вещества колеблется от +400 до +4000 °C, отчего оно пребывает в полурасплавленном, вязком и тягучем состоянии. Плотность этого расплава очень велика. Верхняя мантия, простирающаяся до глубины примерно 1000 км, пребывает под давлением минимум 900 млн Па, что в 900 раз выше атмосферного.
Мантийное вещество, обладая значительной пластичностью, пребывает в постоянном движении. Наиболее существенны среди всех потоков в области мантии т. н. конвекционные токи. Эти мантийные течения можно сравнить с бурлением кипятка в кастрюле. Природа их совершенно одинакова. Вещество мантии нагревается на больших глубинах, близ горячего ядра, в результате чего в этом слое рождаются вертикальные раскаленные потоки. Они достигают верхней области мантии, где остывают и растекаются в разные стороны в горизонтальном направлении.
Остывающие течения приводят в движение литосферные плиты, слагающие земную кору. Подвижки плит вызывают, в свою очередь, землетрясения, вулканические извержения, процессы горообразования и т. д. Наиболее внушительным последствием таких подвижек является дрейф континентов, последствия которого заметны лишь по прошествии многих миллионов лет. Материки медленно передвигались по поверхности мантийного слоя, сочетаясь друг с другом необычным образом и меняя свои очертания.
Земля былых геологических эпох не была похожа на современную. Скажем, 250 млн лет назад вся суша планеты была объединена в единый суперконтинент Пангею. Последние исследования показали, что задолго до того неоднократно происходили образования и распады великих сверхконтинентов, сходных с Пангеей. Ей предшествовали, поочередно сменяя друг друга, Метагея, Мегогея и Мезогея.
На глубине 1000 км происходит скачок плотности вещества с 4000 до 4600 кг/м3. Давление здесь возрастает до отметки 40 млрд Па (в 400 000 раз выше атмосферного). Глубже залегают слои нижней мантии, плотность вещества которой составляет в среднем порядка 5000 кг/м3, а температура равняется +3500 °C. В целом мантийное вещество насчитывает 65 % от массы всей планеты, остальное приходится преимущественно на вещество ядра. Земная кора составляет по массе менее 1 % от массы планеты.
Жидкое внешнее ядро, богатое кислородом и тяжелыми элементами, преимущественно опять-таки кремнием, начинается на глубине 2900 км. Здесь происходит под давлением 136 млрд Па скачок плотности вещества с 5700 до 9700 кг/м3. Температура на поверхности ядра равняется +4200 °C, а с глубиной повышается до +5500 °C. В области этих максимальных температур, соответствующих отметке глубин 4500 км, плотность вещества равняется 11,4 т/м3, а давление 320 млрд Па.
Глубже 5000 км залегает железоникелевое, твердое внутреннее ядро. На его поверхности происходит скачок плотности с 12,5 до 12,7 т/м3. Температура здесь достигает примерно +6000 °C. В железистом ядре находится центр планеты. Он расположен на глубине 6371 км, т. о., если бы человек имел возможность спуститься сюда по лестнице, то этот спуск занял бы около 2 месяцев. Эта область характеризуется следующими параметрами: давление 370 млрд Па (в 3,7 млн раз больше атмосферного), плотность вещества 13 т/м3, температура выше +610 °C, что много больше температуры на поверхности Солнца!
