Спутники – разведчики земных недр

Как со «скатерти-самобранки», человек веками собирает несметные природные богатства. Уголь и нефть, железные руды и цветные металлы, химическое и минеральное сырье… Да разве можно перечислить все, что дает нам Земля! Кладовой неисчислимых богатств представляются ученым земные глубины. Однако, проникнув сегодня на сотни миллионов километров в космос, человек углубился в недра своей планеты лишь на несколько километров. Как ни странно, но в настоящее время ученые знают процессы, происходящие в недрах звезд, лучше, чем внутри Земли. Максимальная глубина буровых скважин составляет немногим более семи километров. И это при радиусе земного шара в 6 371 километр! Вот почему даже самые глубокие современные скважины можно сравнить лишь с булавочными уколами.

Если сравнить нашу планету с крупным яблоком, то толщина исследованного поверхностного слоя Земли окажется значительно меньшей, чем кожица яблока. А что же залегает дальше, на глубине, например, десяти километров? Здесь, оказывается, уже начинается область, о которой имеются лишь более или менее интересные гипотезы, да и то основанные на спорных соображениях.

К сокровищам земных недр

Глубины Земли привлекают сегодня людей не только потому, что в них таятся бесчисленные месторождения известных полезных ископаемых и тех, о которых мы, может быть, и не имеем представления, но и потому, что в них скрыты богатейшие источники энергии. Земной шар представляет собой величайшую энергетическую лабораторию, в которой непрерывно протекают сложнейшие физические, химические, биологические и другие процессы, приводящие к концентрации в отдельных районах больших запасов тепловой энергии. Человечество уже имеет некоторый опыт использования глубинного тепла Земли. Так, почти вся Исландия отапливается горячими водами многочисленных гейзеров. В разных местах строятся электростанции, которые будут работать на тепле вулкана.

Один из путей проникновения в районы земных недр — сверхглубокое бурение. Ученые думают о еще более смелых проектах. «Есть у нас мечта,— пишет академик А. Трофимчук,— пробить на 17 километров вглубь толщу земной коры и выявить возможность добывать редкие металлы прямо из расплавленной магмы». Сверхглубокое бурение позволит всесторонне изучить земную кору, узнать как физические свойства (геотермические данные, тепловой поток, движение вещества, его вязкость, пластичность на разных глубинах и т. д.), так и химические свойства ее (состав коры, структурно-минералогический характер, содержание радиоактивных и других элементов и т. п.).

Преодоление каждой новой сотни метров в глубине земных недр связано, однако, с большими трудностями. Поэтому, чтобы не вслепую располагать буровые, поисковые скважины, нужно знать общие и частные (для данной территории) закономерности размещения полезных ископаемых и энергетических источников. Быстрому нахождению этих богатств способствует геологический прогноз. С большой достоверностью он позволяет предсказать места, где те или другие полезные ископаемые и источники энергии могут быть обнаружены.

Геологический прогноз

Правильный геологический прогноз — это, по существу, одна из высших форм научного предвидения. Она представляет собою результат целого комплекса разнообразных научных исследований: геологических, геофизических, геохимических, географических и других. Для разведки глубинных недр Земли используются при этом такие совершенные современные средства, как гравиметры, позволяющие изучать распределение силы тяжести в различных районах земного шара; сейсмометры, с помощью которых исследуются условия распространения ударных волн в глубинных недрах Земли, вызванных естественными землетрясениями или искусственными взрывами, и электрометры для определения характера и интенсивности магнитного и электрического полей Земли.

С каждым годом все большую роль в решении задач геологического прогноза глубинных районов Земли выполняет авиация. Установленные на самолетах специальные высокочувствительные геофизические приборы производят гравиметрическую и аэромагнитную разведку больших площадей.

И все же многие задачи, связанные с определением геологического строения нашей планеты, не могут быть успешно решены с помощью имеющихся в распоряжении ученых средств. Так, например, для более точного определения магнитного или гравитационного поля Земли надо, чтобы измерительные приборы находились как можно дальше от поверхности нашей планеты и в течение длительного периода одновременно с больших площадей позволяли получать интересующие данные.

Так, задача проникновения в глубинные зоны Земли неожиданно пришла в соприкосновение с другой величественной задачей нашего времени — проникновением в космос. Обе проблемы оказались связанными между собой не только единством целей, но и открывшейся возможностью «взаимной помощи». Искусственные спутники, оснащенные необходимой исследовательской аппаратурой, могут уже сейчас оказать большую помощь в решении сложнейших проблем геологического прогноза.

Спутники – разведчики земных недр

На первый взгляд кажется странным, как это искусственные небесные тела, находясь вдали от Земли, могут решать столь сложные задачи? Но ничего загадочного в этом нет. Многочисленными экспериментами установлено, что скорость распространения сейсмических волн в верхних и нижних слоях земной коры совпадает со скоростью волн в гранитах и базальтах. На этой основе выделено два типа земной коры: континентальный и океанический.

Верхний слой материков состоит в основном из сравнительно легких гранитов, а дно океанов покрыто более тяжелыми базальтами. Но так как граниты и базальты притягивают другие тела с неодинаковой силой, то эти крупные геологические массы оказывают заметное влияние на величину силы притяжения обращающихся вокруг Земли искусственных небесных тел. Движение спутника вокруг Земли с большой точностью может быть рассчитано по законам небесной механики.

Однако вследствие неравномерного распределения масс в земной коре спутник не может лететь по расчетной траектории. Перемещаясь в переменном поле тяготения Земли, он очень чутко реагирует на все изменения этого поля, вызванные характером земных недр. Оказывается, чем «тяжелее» масса Земли в том районе, над которым пролетает спутник, тем сильнее он здесь притягивается планетой, и наоборот. Двигаясь над районами с более плотной массой, спутник становится как бы немного «тяжелее», и поэтому скорость полета его здесь несколько увеличивается. Там же, где масса Земли менее плотная, спутник становится как бы «легче», и здесь он перемещается чуть медленнее. А поскольку изменение скорости спутника сказывается на характере его орбиты, его движения, то вследствие этого он движется или ближе к поверхности Земли или же немного дальше от нее.

Непрерывно наблюдая с помощью различных приборов за этими отклонениями траектории полета искусственного небесного тела, ученые получают возможность изучить гравитационные аномалии силы тяжести (то есть отклонения силы тяжести от нормальной) и установить распределение крупномасштабных неоднородностей в толще земной коры. Со спутников Земли, оборудованных специальной оптической, фототелевизионной, радиоэлектронной аппаратурой, можно будет обозреть общую картину труднодоступных районов Земли — гигантских арктических районов, обширных высокогорных мест и пустынь. Значение этих наблюдений для науки будет огромным. Именно аэрогеология и аэрофотосъемка в сочетании с глубинными геофизическими исследованиями позволили открыть некоторые важные черты тектонического строения земной коры — гигантские разломы, рассекающие земную кору на глубину нескольких десятков километров и простирающиеся на многие тысячи километров. С высоты полета спутников эти и некоторые другие особенности геологического строения нашей планеты можно будет наблюдать еще более явственно.

Известно, что в толще земной коры протекают электрические токи. Предполагают, что эти токи и являются источником мировых магнитных аномалий. Поэтому по характеру распределения электрического и магнитного полей Земли можно будет судить о строении того или иного ее района. Достаточно напомнить, что магнитные измерения, проведенные на третьем искусственном спутнике Земли, дали возможность определить характер убывания с высотой Восточно-Сибирской магнитной аномалии и сделать вывод о расположении ее источников в глубинных районах нашей планеты.

Исключительно большое значение спутники будут иметь для разведки полезных ископаемых и энергетических источников, расположенных под обширными подводными пространствами. Моря и океаны занимают 71 процент поверхности нашей планеты. И если человек сумел частично изучить и поставить себе на службу материальные ресурсы суши, то в отношении необъятных морских просторов этого пока сказать нельзя.

Правда, морское дно уже в некоторых районах мира стало источником ценных полезных ископаемых. Достаточно вспомнить морские промыслы нефти на Каспийском море, добычу железных руд далеко от берега в районе Вабана на Ньюфаундленде, каменного угля в Уэльсе. Нет сомнения в том, что дно морей и океанов — это огромный резерв минерального сырья, и геология акваторий также должна стать объектом обширных научных исследований.

При определении фактической орбиты спутника необходимо учитывать причины, вызывающие нарушения в характере его траектории, в частности влияние формы Земли и сопротивления ее атмосферы. При этом следует учитывать также время суток, года, высоты и широты полета спутника, поскольку эти условия оказывают существенное влияние на характер траектории движения спутников вокруг Земли.

Разумеется, хорошо было бы добиться того, чтобы спутники двигались по орбитам, расположенным на таких высотах, где сопротивление воздуха не будет оказывать большого влияния и им можно будет при расчетах пренебречь. Если же по каким-либо причинам все же возникнет необходимость располагать орбиты спутников в пределах атмосферы Земли, то в этом случае нужно будет учитывать влияние сопротивления воздуха на траекторию их движения.

Спутники и «проект верхней мантии»

Генеральная ассамблея Международного геодезического и геофизического союза приняла широкую программу исследования глубоких недр земного шара. Эта программа, известная сейчас под названием «Проект верхней мантии», направлена главным образом на изучение процессов, происходящих в верхней части мантии Земли, то есть на глубинах до тысячи километров. Есть основания думать, что именно процессы в верхней мантии являются причиной движения земной коры, образования материков и океанов, смятия горных пород в складки, поднятия расплавленной магмы.

Изучение, а затем освоение глубинных зон Земли поможет геологам в их поисках полезных ископаемых и исследовании энергетических источников земного шара. Много полезного почерпнут для себя также геохимики, изучающие распределение и историю природных химических соединений на нашей планете, геофизики, исследующие физические свойства нашей планеты в целом и процессы, происходящие в оболочках Земли (твердой, жидкой и газообразной), астрономы, изучающие Землю как космическое тело, и многие другие специалисты. А поскольку «биография» земного шара в какой-то мере отражает процессы происхождения небесных тел в других районах космоса, то полученные сведения о глубинных зонах земной коры будут иметь важное значение и для выяснения эволюции нашей планетной системы в целом.

Искусственные спутники Земли позволят «прощупать» геологическое строение земной коры в разных тектонических зонах — в складчатых областях различного возраста на материках и особенно на морях и океанах — и тем самым будут способствовать решению задач «Проекта верхней мантии». Проникновение в глубинные недра Земли облегчит изучение таких сложных вопросов, как происхождение Земли и образование ее оболочек, возраст нашей планеты, позволит установить роль радиоактивного распада в протекании многих геологических процессов и создании теплового режима Земли, выяснить причину земного магнетизма, электрических токов Земли и другие вопросы, где наши знания основываются пока только на предположениях.

Однако следует иметь в виду, что открытие сложнейших законов геологической истории нашей планеты зависит от успехов многих специалистов, изучающих взаимодействие атмосферы Земли с гидросферой, биосферой и литосферой. Поэтому обязательным условием успешных исследований является самое тесное взаимодействие геологов, геофизиков, геохимиков, географов, а также их связь с представителями других специальностей — физиками, химиками, математиками, биологами. В этих комплексных исследованиях, опирающихся на совместное использование различных методов и средств, спутники Земли займут свое достойное место. Они помогут снять многие замки с кладовой природы — Земли и овладеть неисчислимыми богатствами ее недр, поставив их на службу человеку.

Автор: Н. Варваров.