Наша планета состоит из трех основных частей (геосфер). В центре расположено ядро, над ним простирается плотная и вязкая мантия, а самым верхним слоем твердого тела Земли является довольно тонкая кора. Граница между корой и мантией носит название поверхности Мохоровичича. Глубина ее залегания неодинакова в разных регионах: под континентальной корой она может достигать 70 км, под океанической – всего около 10. Что же собой представляет эта граница, что мы знаем о ней и чего не знаем, но можем предполагать?
Обратимся для начала к истории вопроса.
Открытие
Начало XX века было ознаменовано становлением научной сейсмологии. Череда мощных землетрясений, имевших разрушительные последствия, способствовала систематическому изучению этого грозного природного явления. Начались каталогизация и картирование очагов инструментально зафиксированных землетрясений, стали активно исследоваться особенности сейсмических волн. Скорость их распространения зависит от плотности и упругости среды, что дает возможность получить информацию о свойствах пород в недрах планеты.
Открытия не заставили себя ждать. В 1909 г. югославский (хорватский) геофизик Андрия Мохоровичич обрабатывал данные по землетрясению в Хорватии. Обнаружилось: сейсмограммы таких неглубоких землетрясений, полученные на удаленных от эпицентра станциях, несут два (или даже более) сигнала от одного подземного толчка – прямой и преломленный. Последний свидетельствовал о скачкообразном (с 6,7—7,4 до 7,9—8,2 км/с для продольных волн) увеличении скорости. Ученый связал это явление с наличием некоторой границы, разделяющей слои недр с различными плотностями: расположенную глубже мантию, вмещающую плотные породы, и кору – верхний слой, сложенный породами более легкими.
В честь первооткрывателя поверхность раздела коры и мантии получила его имя и уже более ста лет известна как граница Мохоровичича (или же просто Мохо).
Плотность пород, разделенных Мохо, меняется также скачкообразно - с 2,8—2,9 до 3,2—3,3 г/см3. Практически нет сомнений в том, что эти различия свидетельствуют о разном химическом составе.
Однако попытки добраться непосредственно до подошвы земной коры до сих пор не увенчались успехом.
Проект Mohole – начало через океан
Первая попытка достичь мантии была предпринята США в 1961—1966 годах. Проект получил название Mohole - от слов Moho и hole «дыра, отверстие». Предполагалось достичь цели путем бурения океанического дна, производившегося с испытательной плавучей платформы.
Проект столкнулся с серьезными трудностями, средства были перерасходованы, и после завершения первого этапа работ «Мохол» был закрыт. Результаты эксперимента: пробурено пять скважин, получены образцы породы из базальтового слоя океанической коры. Забуриться в дно смогли на 183 м.
Кольская сверхглубокая – просверлить континент
И поныне ее рекорд не побит. Самая глубокая научно-исследовательская и самая глубокая вертикальная скважина была заложена в 1970 году, работы на ней велись с перерывами по 1991 год. Проект имел множество научных и технических задач, часть их была успешно решена, добыты уникальные образцы пород континентальной коры (суммарная длина кернов составила свыше 4 км). Кроме того, в ходе бурения был получен ряд новых неожиданных данных.
Прояснение природы Мохо и установление состава верхних слоев мантии значились в числе задач Кольской сверхглубокой, но скважина до мантии не дотянулась. Бурение замерло на глубине 12262 м и более не возобновлялось.
Современные проекты – все-таки через океан
Несмотря на дополнительные трудности, возникающие при глубоководном бурении, современные программы планируют достичь границы Мохо именно через дно океана, поскольку земная кора здесь существенно тоньше.
В настоящее время ни одна страна не сможет осуществить столь масштабный проект, как сверхглубокое бурение с достижением кровли мантии, самостоятельно. С 2013 года в рамках Международной программы открытия океана IODP (International Ocean Discovery Program: Exploring the Earth Under the Sea) осуществляется проект «Mohole to Mantle». В числе его научных целей – получение образцов вещества мантии путем бурения сверхглубокой скважины в Тихом океане. Главным инструментом в этом проекте выступает японский буровой корабль «Тикю» - «Земля», способный обеспечить глубину бурения до 10 км.
Нам остается только подождать, и, если все пойдет хорошо, в 2020 году наука будет, наконец, иметь в своем распоряжении кусочек мантии, добытый из самой мантии.
Дистанционные исследования прояснят свойства границы Мохоровичича
Поскольку до сих пор невозможно непосредственное изучение недр на глубинах, соответствующих залеганию коро-мантийного раздела, представления о них базируются на данных, полученных геофизическими и геохимическими методами. Геофизика предоставляет в распоряжение исследователей глубинное сейсмическое зондирование, глубинное магнитотеллурическое зондирование, гравиметрические исследования. Геохимические методы позволяют изучать фрагменты пород мантии – ксенолиты, вынесенные на поверхность, и породы, внедренные в земную кору в ходе различных процессов.
Итак, установлено, что граница Мохоровичича разделяет две среды с разной плотностью и электропроводностью. Считается общепринятым, что эта особенность отражает химический характер Мохо.
Выше поверхности раздела залегают относительно легкие породы нижней коры, имеющие основной состав (габброиды), – этот слой носит условное название «базальтового». Ниже границы располагаются породы верхней мантии – ультраосновные перидотиты и дуниты, и в некоторых областях под континентами эклогиты – глубокометаморфизированные основные породы, возможно, реликты древнего океанского дна, занесенные в мантию. Существует гипотеза о том, что в подобных местах Мохо является границей фазового перехода вещества одного химического состава.
Интересной особенностью Мохо является то, что форма границы связана с рельефом земной поверхности, зеркально отражая ее: под впадинами граница поднята, а под горными массивами – прогибается вглубь. Следовательно, здесь осуществляется изостатическое равновесие коры, как бы погруженной в верхнюю мантию (для наглядности вспомним айсберг, плавающий в воде). За данный вывод «голосует» и земная гравитация: граница Мохоровичича теперь глобально картирована по глубине залегания благодаря результатам гравиметрических наблюдений с европейского спутника GOCE.
В настоящее время известно, что граница подвижна, она даже может разрушаться при крупных тектонических процессах. На определенном уровне давления и температуры она формируется вновь, что говорит об устойчивости этого феномена земных недр.
Зачем это нужно
Интерес ученых к Мохо не случаен. Помимо большого значения для фундаментальной науки, весьма важно прояснение данного вопроса и для прикладных областей знания – таких, как опасные природные процессы геологического характера. Взаимодействие вещества по обе стороны коро-мантийного раздела, сложная жизнь самой мантии оказывают определяющее воздействие на все, что происходит на поверхности нашей планеты – землетрясения, цунами, различные проявления вулканизма. А лучше понимать их – значит, точнее прогнозировать.
