Многие ли пассажиры Московского метрополитена внимательно разглядывают стены его великолепных вокзалов? Восхищаются обычно архитектурой, красотой помещений в целом. А приглядеться к стенам стоит.
Вот, например, мраморная облицовка стен на станции Дзержинская. Не всякий может ответить, как она выглядит.
Если повнимательней присмотреться к мраморным плитам этой станции, то можно прочесть интересные страницы геологической истории Земли. В свое время при образовании мрамора были растащены по слоям и микрослоям те включения органической массы, которые сохранились в древнем иле. Сейчас они представляются в виде серых параллельных линий, изогнутых в ажурные складки. Особенно эффектны такие складки в Ленинградском метро на станции Балтийская. Мало кому приходит в голову, что здесь отражены, зафиксированы в каменных документах драматические эпизоды жизни мрамора, связанные с так называемыми пластическими деформациями, что здесь работало усилие в четыре тысячи килограммов на квадратный сантиметр.
Еще более интересны опыты по изучению уральской колчеданной руды. В шахтах и некоторых карьерах, где добывается эта руда, особенно на Карабашском месторождении Южного Урала, можно видеть довольно прихотливые изгибы пластовых залежей, которые ее слагают.
Опыты показали, что медную руду так же можно заставить растекаться, но уже при давлении в 10–12 тысяч килограммов на квадратный сантиметр. Здесь, сравнивая результаты процессов, происходящих в природе, с данными экспериментов, мы находимся на грани познания и тех процессов, которые происходят и в мантии Земли.
Практически говоря, мы можем получить в лабораториях искусственную мантию Земли. Для этого нужно воссоздать те условия, которые должны быть под земной корой. Первое из них — давление. Это колоссальная величина. Три слона, вставших на ноготь указательного пальца! Но давление это вполне достижимо для современной лабораторной аппаратуры. Его величину нетрудно рассчитать, и, следовательно, мы можем точно сказать, с какой силой будут сдавлены породы на той или иной глубине от поверхности Земли или океана.
Труднее с температурой мантии. У ученых нет единой точки зрения о степени и характере изменения температур при погружении к центру Земли.
Надо учитывать также и воды, проникающие в горные породы. Вода под давлением будет действовать иначе, чем на поверхности Земли. Каждое, даже малейшее отверстие, каждая мельчайшая, микроскопических размеров пора будут впитывать в себя влагу, и сама порода в таких условиях изменит свои свойства. Возможно, этим и объясняется коренное отличие океанических зон земной коры от ее континентальных участков. Может быть, под давлением воды, проникшей в поры горных пород, их свойства настолько меняются, что осадочные породы и граниты приобретают характеристики, чрезвычайно близкие к свойствам базальтов. Не поэтому ли базальтовый слой располагается так близко от поверхности в зоне дна океана? И может быть, это вовсе не базальтовый слой, а неузнаваемо измененный осадочный или гранитный?
Следствием давления, температуры, пористости и проницаемости горных пород являются, как мы видели, их пластичность, упругость и прочность. Все это мы можем получить в специальных лабораториях, которые занимаются изучением поведения горных пород при огромных давлениях и высоких температурах.
В одной из своих корреспонденций директор лаборатории физики сверхвысоких давлений Академии наук СССР профессор Л. Ф. Верещагин говорил: когда подвергли большим давлениям различные металлы и породы, то столкнулись с преобразованием их первичных качеств. Например, чугун, каменная соль, мрамор, помещенные в жидкость, сжатую до 20–25 тысяч атмосфер, претерпели удивительные изменения. Они становились пластичными и приобрели какую-то особую сверхпрочность.
Но при попытках воспроизвести свойства пород в условиях мантии мы сталкиваемся с многими трудностями. Ведь там все, даже хорошо изученные породы находятся в среде, которая нам не известна. А о том, какую роль она может играть, хорошо свидетельствуют опыты, произведенные с каменной солью. Оказывается, каменная соль растекается уже при сравнительно небольших давлениях. Если приложить к ней усилие в 40–80 килограммов на квадратный сантиметр, то она может быть вдавлена в узкую щель в стальной плите.
Но если чуть-чуть подогреть каменную соль, предположим, до 200–300 градусов, то она продавливается через это же отверстие при давлении вдвое меньшем, чем в предыдущем опыте.
Еще более поразителен эффект, который получается, если эту щель в стальной плите окантовать плавленым гипсом или плавленой солью… Через такое отверстие можно продавить каменную соль даже при давлении в два-три килограмма на квадратный сантиметр, то есть необходимо усилие еще в 10–15 раз меньшее.
Но геологические наблюдения над поведением мрамора и кварцита, о которых мы говорили выше, противоречат лабораторным опытам. В природных условиях кварцит обладает более легкой способностью к пластической деформации, чем мрамор, а в лабораторных условиях требуются меньшие усилия для того, чтобы вызвать пластическую деформацию в мраморе.
Загадка? Пока да. И таких загадок тысячи. Исследователям постоянно приходится решать уравнения со многими неизвестными. Но не будем отчаиваться. Сейчас человек создал себе могучего помощника — электронную счетно-вычислительную машину, и она уже верно служит геологам, помогая решать прежде совершенно неразрешимые задачи.
Счетно-вычислительные устройства позволяют нам максимально точно учесть все процессы, которые происходят в земной коре или мантии.
Мы сможем практически рассчитать, как выглядит мантия Земли. От результатов расчета условий прочности, плотности, упругости горных пород будет зависеть и выбор технического оборудования, а также сама конструкция бурильных аппаратов.
Счетно-решающая машина поможет найти ответ на вопрос о том, какие металлы или искусственные пластмассы необходимы для создания бурильных труб. Машина подскажет, что для закрепления стенок скважин надо создавать своеобразные породы с определенными свойствами. Может быть, это будут преобразованные породы, пройденные буровой скважиной. А возможно, придется разработать электрохимический способ закрепления стенок скважин. Расчетные данные дадут ответ и на вопрос о том, каким должен быть диаметр скважин.
В районе города Тотьмы мне пришлось видеть скважину и закрепляющие ее обсадные трубы XV столетия. Начальный диаметр скважины достигал 60 сантиметров, конечный диаметр, на глубине 250 метров от поверхности, суживался до 30 сантиметров. Скважина была обсажена трубами из долбленых крепких деревьев, обернутых просмоленным холстом. Для того времени скважина была чудом техники.
Такой же, по сути, тип конструкции скважин мы применяем и в настоящее время.
Расчеты показывают, что начальный диаметр сверхглубокой скважины может быть около двух метров. Такая скважина, постепенно теряя диаметры, на глубине 15–18 километров сузится до 13–15 сантиметров. Счетно-решающие устройства будут рассчитывать прочность оборудования. Для того чтобы сказать, как поведут себя на глубине трубы, сделанные из сплава железа с титаном или из каких-либо других металлов, чтобы узнать, как они будут растягиваться или сжиматься при подъеме и спуске снаряда, нужно решить десятки, сотни и, может быть, тысячи разнообразных задач. Решения будут различными в зависимости от того, как мы будем представлять условия, которые встретятся под земной корой.
Современная наука позволяет нам учесть все эти условия, и сверхглубокие скважины мы будем бурить не вслепую. Мы войдем в глубины недр во всеоружии нашей техники, войдем как повелители стихий, еще недавно считавшихся таинственными и неукротимыми.
И здесь синтез
Как известно, в настоящее время происходит процесс резкой дифференциации наук. Появляются новые науки и научные направления. В геологии уже выделилось свыше 120 новых наук, и этот процесс еще продолжается. Уже невозможно быть специалистом-геологом вообще. Самых разнообразных направлений так много, что каждый геолог, практически говоря, становится узким специалистом в какой-либо одной области. Но происходит и прямо противоположный процесс, и недаром многие новые науки рождаются на стыке двух-трех старых.
Как быть при бурении сверхглубоких скважин? Ведь там возникает тысяча разнообразных вопросов, решение которых не под силу узким специалистам. Не приходится доказывать, что обслуживать каждую из таких скважин будут сотни лиц разнообразных специальностей. Здесь, как в фокусе, будут сосредоточены мысли и чаяния разных ученых. Скважина объединит интересы представителей, на первый взгляд ничем между собой не связанных направлений. Конечно, полностью о синтезе наук каждой сверхглубокой скважины рассказать невозможно. Об этом еще будет написано много книг, но некоторые направления видны уже сейчас.
