Правда ли, что горы продолжают расти, а земные недра близки к истощению? Как будет выглядеть наша планета через несколько миллионов лет? Нужно ли учиться добывать труднодоступные элементы или лучше переходить на искусственные материалы? Можно ли научиться прогнозировать землетрясения и как это сделать? Об этом рассуждает член-корреспондент РАН Юрий Алексеевич Морозов, заведующий лабораторией тектоники и геодинамики Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.
— Юрий Алексеевич, Институт физики Земли основан Отто Юльевичем Шмидтом, выдающимся ученым, который был не только исследователем полярных земель, но и разработчиком ряда других научных направлений. Но как в этом институте оказались геологи?
— Наш институт создавался на основе Сейсмологического института, расположенного в Ленинграде. Уже в 1943 г. О.Ю. Шмидт советовался с коллегами, как лучше все организовать, беседовал на эту тему с В.И. Вернадским, и тот выразил уверенность, что для полноценной работы института обязательно должен быть контакт с геологами. Геофизические методы дают огромный массив материала, но нужно знать, в какой среде этот материал получен и как он интерпретируется геологами, чтобы понимать суть процессов, отражающихся в геофизических полях.
По рекомендации В.И. Вернадского Шмидт обратился к члену-корреспонденту АН СССР В.В. Белоусову, обладающему авторитетом в геологических кругах. Владимир Иванович его хорошо знал по работе в Радиевом институте им. В.Г. Хлопина в Санкт-Петербурге и всемерно поддерживал. О.Ю. Шмидт пригласил его для организации в институте такого крупного подразделения, как отдел геодинамики. В этом отделе разрабатывался целый комплекс геологических дисциплин, объединявших ученых разного направления. Все это В.В. Белоусов создавал для того чтобы разносторонне, комплексно интерпретировать получаемые геофизиками материалы.
— Белоусову удалось решить эту задачу?
— Да, роль геологии в институте оказалась очень значимой, в том числе для интерпретации, оценки моделей развития Земли. С тех пор отдел геодинамики существовал в институте, а наша лаборатория тектоники и геодинамики — это одна из геологических лабораторий, которая от него отпочковалась. Есть еще лаборатория сейсмотектоники, занимающаяся структурами, связанными с сейсмическими процессами, и это тоже геологи, которые изучают на поверхности сейсмодислокации и сам сейсмический процесс. Ну а мы занимаемся тектоникой и геодинамикой.
— Что это значит?
— Тектоника — это наука о деформациях и структурах, формирующихся в земной коре, а геодинамика — это наука о силах, которые эти структуры создают и обусловливают деформации. Сочетание тектоники и геодинамики жизненно необходимо, чтобы понимать, как эволюционировала Земля.
— Конечно, с тех пор геофизические методы исследований сильно изменились, сейчас это другая наука, и наверняка есть новые результаты. Но прежде чем спросить об этом, хочу узнать: что осталось незыблемым в вашей лаборатории?
— То, что геологи строят свои схемы, свои представления на основе фактического материала, который они реально добывают, путешествуя в экспедициях и набирая материал, который мы находим на поверхности Земли. Задача геологов — по тем комплексам земных пород, по структурам, которые мы видим на поверхности, экстраполировать их на бóльшую глубину. Здесь мы смыкаемся с материалами, получаемыми геофизиками.
Дело в том, что на поверхности Земли тектоническими силами, эрозией на разных территориях, на разных участках выходят породы разных глубин. Поэтому, оценивая характер состава пород, их структуру, все элементы деформации, которые они испытали, будучи на глубине, а сейчас выведены к поверхности, мы можем судить о разных уровнях глубинности, об их строении, эволюции, превращении минерального вещества за счет воздействий больших температур и давлений на глубине. Мы можем проследить целый цикл превращения пород, когда они накапливались в виде осадочных серий на поверхности Земли, потом тектоническими силами были заглублены, прошли процессы преобразований за счет температуры и давлений, а потом они снова были выведены на поверхность.
— Что вам дает эта информация?
— Мы узнаем, в каких условиях они побывали, на каких глубинах и что с ними там произошло. Исходя из знаний поверхностной геологии, мы можем представлять структуру эволюции глубин земной коры.
— Это то, что не меняется. В моем детстве была популярна песенка про геологов: «Люди идут по свету, им вроде немного надо — была бы прочна палатка, да был бы нескучен путь». Это тоже остается неизменным или геологам много надо?
— Это скорее отражение романтического настроя, которым наполнены геологи. Конечно, это осталось и, думаю, никуда из нашей профессии не денется. Это тяга к путешествиям и отчасти образ жизни, который воодушевляет и помогает в преодолении многих трудностей для получения важных научных результатов.
Но методы со временем совершенствуются, появляются иные возможности, поэтому материал, который сейчас собирают геологи, качественно отличается от того, что получали раньше. Изменились методы исследования, анализа материалов, многое другое.
— Что конкретно изменилось?
— Во времена В.В. Белоусова, в 1970-е гг., помню, главным инструментом был микроскоп. Брались образцы горных пород, делались тонкие прозрачные срезы и в этих шлифах анализировали составы минералов, их фазовые состояния, ассоциации, чтобы понять, рядом с какими соседями расположены эти минералы. По этим данным делали вывод относительно генезиса породы — она осадочная или магматическая, или она претерпела перепады различных температур и стала метаморфической породой. По результатам экспериментов тех лет была разработана технология оценки температур и давлений, которые испытала порода. Это было очень важно.
Сейчас технологически все стало гораздо более весомым, значимым. Разработаны различные аналитические приборы, усовершенствованы методы экспериментов, позволяющих более качественно оценивать характер структуры, состава породы и все условия, при которых она возникала. Есть целая серия разработанных с тех пор геотермометров и геобарометров, когда мы по ассоциациям минералов, по их составу, по распределению в них отдельных элементов можем получить представление о породе. Мало того — мы можем измерить количество не только основных породообразующих элементов (алюминия, железа, магния, калия), но и разных второстепенных элементов, называемых микроэлементами или редкоземельными элементами.
— Какие новые возможности это дает?
— С помощью таких измерений можно более точно представить и проследить путь породы от ее первично осадочного, приповерхностного образования через глубины, на которые она была погружена и выведена обратно на поверхность. Есть целая масса изотопных методов, позволяющих оценить возраст либо отдельных минералов, либо породы в целом. Если мы говорим об отдельных минералах, то мы можем оценить их возраст, а породы, претерпевшие длительный путь, позволяют нам понять направления ее перемещения в земной коре. Тем самым оцениваются геодинамические условия. По сопоставлению таких параметров в разных комплексах можно судить о том, как составные части той или иной области эволюционировали во времени, какова длительность тех или иных тектонических процессов, которые испытала эта порода. В истории развития земной коры или комплексов пород есть так называемые эпохи тектогенеза — отрезков времени, когда порода переживает особо интенсивные преобразования.
— А с чем это связано?
— В первую очередь, опять-таки с перемещениями литосферных плит. Чаще всего эти наиболее интенсивные преобразования происходят на контакте взаимодействующих плит. Если это все отслеживать во времени, то оказывается, что с интервалом около 150–200 млн лет происходят наиболее бурные события, но они не охватывают всю планету, а происходят в отдельных зонах. Изучая такие места, или «подвижные пояса», мы получаем массу ценной информации.
— Что это за места?
— Например, наш Урал был такой зоной в раннем палеозое, то есть 490–480 млн лет назад испытывал очень активное преобразование.
— А сейчас там все успокоилось?
— Да, сейчас там все стабильно. Во время тектогенеза нарушается изостазия, то есть равновесие по плотности, по массам и т.д. Это неустойчивое состояние. Для того чтобы земная кора с этими комплексами, оказавшимися в нарушенном состоянии, вернулась к прежнему равновесию, начинаются процессы возвращения в устойчивое состояние — одни объемы погружаются, другие уходят вверх, и это называется орогенезом, или горообразованием. После тектогенеза наступает достаточно длительный период роста гор. Обычно это оторванное событие около 30–40 млн лет. После этого создается возвышенность, или горная страна, но это тоже отчасти неравновесное состояние, потому что образуется утолщенная земная гора, стремящаяся вернуться к прежнему равновесию.
После орогенеза почти все подвижные пояса испытывают коллапс растяжения. На их месте возникает серия больших, обширных впадин, заполняющихся молассами, и поверхность выравнивается. Урал — один из таких бывших подвижных поясов и бывшая орогенная область. Там остались небольшие возвышения, но в целом это успокоившаяся территория.
— На территории нашей страны есть такие горные массивы, где продолжаются горообразование и рост гор?
— Да. Это происходит сейчас в так называемом Альпийско-Гималайском поясе — это все Средиземноморье, Тянь-Шань, Памир и Гималаи. Это огромная горная страна, где горообразование сопровождается обильными и активными землетрясениями. Именно поэтому там наибольшая сейсмическая активность.
— А Кавказ?
— Кавказ тоже, это краевая часть Альпийско-Гималайского пояса, но он ближе к стабильной платформе.
— То есть там горы тоже продолжают расти? Эльбрус, например, растет?
— Да, он тоже растет.
— Значит, данные о его высоте уже не совсем точны? И до каких величин он может вырасти? Он может, например, стать семитысячником?
— Согласно данным GPS, фиксирующим отметки, по теодолитным геодезическим съемкам, там есть участки, которые растут, но есть и участки, которые опускаются. То есть это процесс непростой, неоднозначный, дифференцированный. Надо суммировать некий класс наблюдений, чтобы сказать, поднимается Эльбрус в целом или нет. Семитысячной высоты он не достигнет, поскольку есть предел, на который он может подниматься. Считается, что он не должен существенно расти дальше, потому что параметры по плотности, по прочности пород там находятся на пределе возможностей.
— Это все фундаментальные знания, очень важные и нужные, но от науки требуют еще прикладных знаний о полезных ископаемых, которые становятся все более труднодоступными. Можете ли вы сказать, что запасы земных недр истощаются?
— Я не специалист в области рудогенеза, поэтому все тонкости знаю не очень хорошо. Но в принципе в приповерхностной зоне большинство месторождений либо выработаны, либо находятся близко к выработке и поэтому истощение наступает. Другое дело, что на глубинах, которые пока не всегда досягаемы, тоже есть несметные богатства, и стоит технологический вопрос, как их добывать.
Существуют технологии, позволяющие добывать нефть и газ с больших глубин, приближать к поверхности и тем самым извлекать, но для твердых полезных ископаемых эта задача трудоемкая. Поэтому принципиален вопрос значимости тех или иных элементов, необходимых для практических целей. И промышленность, и наука испытывают серьезный дефицит в редкоземельных элементах, которые нужны для авиационной промышленности, для электронных носителей и т.д. Очень актуальны задачи поиска этих месторождений.
Но оказалось, что есть провинции, где они в большом количестве залегают и еще до конца не извлечены. Дело в том, что в прежние времена, когда добывали основные элементы — железо, магний, марганец и т.д., — возникали так называемые хвосты, остатки непереработанного материала. Так вот, оказывается, во многих случаях в этих «хвостах» сохраняются значительные запасы редких земель.
— А эти «хвосты» всегда выбрасывали?
— Их складировали в откосах. Но сейчас разрабатываются такие технологии, чтобы вернуться к переработке для извлечения этих редких земель. Так что здесь есть возможности. Кроме того, редкие земли часто находятся в различных магматических образованиях, которые тоже не разрабатывались специально. Но технологии совершенствуются, и уже есть возможность извлекать достаточное количество необходимых элементов.
Одно из актуальных направлений, которым я занимаюсь, посвящено исследованию тектонических процессов. Тектоническая деформация чаще всего реализуется не просто сжатием или воздействием в больших объемах — она имеет свойство локализоваться. Энергетически более выгодно локализовать деформацию в узкой зоне, поэтому чаще всего возникают зоны локализационных деформаций, которые становятся концентраторами многих редких ценных элементов.
Во многих странах мира в рудной геологии возникло целое направление — поиски так называемого Shear-золота. Shear — это сдвиг. Такие зоны локализованных сдвигов очень часто содержат повышенные концентрации золота и сопутствующих элементов. Есть также так называемые месторождения несогласия.
— С чем же они не согласны?
— Между комплексами разного состава возникают некие поверхности в земной коре — так называемое несогласие. Они различаются по своим физическим характеристикам и выступают концентраторами деформаций и напряжений. Когда идет общее воздействие на объем коры, то породы разного состава, разной плотности и разной прочности реагируют по-разному, поэтому на контакте обязательно происходят срывы. И эти срывы между крупными объемами часто становятся доступными для флюидов, несущими в себе различные элементы. На определенных уровнях эти флюиды могут создавать большие концентрации тех или иных элементов.
Эти месторождения несогласия представляют собой самостоятельный класс потенциально значимых месторождений. И их сейчас активно используют добывающие компании, а на помощь им обязательно приходят геологи, которые должны выявить, где наиболее ярко проявлены локализованные зоны деформаций горных пород. Ведь там есть шансы найти более высокие концентрации.
— Есть ли в вашей лаборатории какие-то оригинальные разработки?
— Так как мы работаем в Институте физики Земли им. О.Ю. Шимдта РАН, у нас несколько задач. Задачи, которые никогда не снимались и продолжаются со времен В.В. Белоусова, — это оценка состояния структуры, состава и эволюции разных глубинных комплексов. В разных частях России мы изучаем разные возрастные комплексы с разным исходным природным их происхождением — осадочные, континентальные, океанические, бывшие акватории и т.д. Мы этим занимаемся, чтобы помогать интерпретировать геофизикам получаемые картины потенциальных полей.
А есть другая задача. Наш институт исторически занимается сейсмологией, землетрясениями, оценкой сейсмической опасности территорий. Наша лаборатория тоже не должна оставаться в стороне, потому что мы единственное подразделение, которое имеет дело с веществом горных пород.
Обладая навыками и знаниями междисциплинарного свойства, когда мы, помимо структуры, можем оценивать химизм, состав породы, ее возраст, мы можем пытаться быть полезными и сейсмологам тоже.
— О чем идет речь?
— Когда происходит землетрясение, обычно по неким локализованным зонам или по разрывным поверхностям происходит смещение, причем при очень больших скоростях. Эти смещения оставляют след, так называемую геологическую запись сейсмического события. Это продукт преобразования окружающей породы. Мы это фиксируем.
Мы можем расписывать реакции: как и при каких параметрах температуры, флюидного давления порода, состоящая из кварца, полевого шпата, амфибола, биотита, превращается в слюдистый сланец. Тем самым мы, по сути, решаем обратную задачу и можем сказать, какого рода сейсмические события происходят и какова вероятность землетрясения в породах того или иного состава.
Например, в случае подъема температуры до очень высоких значений возникают так называемые псевдотахилиты. Это, по сути, расплавленная порода. Такое стеклоподобное состояние породы возникает при извержении вулкана. То есть порода претерпела расплавление и тут же переохладилась. Изучая эти псевдотахилиты, мы можем дифференцировать разломы, которые возникли в криповом, медленном режиме подвижки, и те, которые действительно были именно сейсмической природы.
А в другой ситуации мы можем сказать, что это были надвиги, возникающие в условиях общего сжатия, когда стесняется пространство и породы начинают подниматься к поверхности. Там и химия, и преобразования иного свойства. Таким образом, для нужд сейсмологии мы можем восстанавливать по продукту этого сейсмического процесса его особенности и режим.
— Оцениваете ли вы сейсмические опасности по регионам?
— Составление карт сейсмического районирования, оценки сейсмической опасности — очень важное направление в сейсмологии. Наш вклад в эти исследования крайне важен. Дело в том, что в карбонатных породах происходит более облегченная подвижка и для того, чтобы произошло землетрясение, надо меньше напряжения, а в каких-нибудь гранитах это более сложно. Во флюидизированной, то есть обводненной, среде нужны свои условия, а если это сухое трение, сухой разлом, там все происходит по-другому.
— Правильно ли я понимаю, что на карты долгосрочных прогнозов эти данные не нанесены?
— Да, они пока не нанесены. Это предстоит сделать, чтобы геологи, сейсмологи учитывали не только то, что на поверхности, но и на основе тех данных, которые есть у нас, прикидывали, на каких глубинах наличествуют объемы с облегченным режимом подвижки. От этого сейсмическая картина существенно меняется. Пока это еще дело будущего, но думать об этом надо, и мы робкими шагами начали двигаться в этом направлении.
— Как вы думаете, возможно ли в будущем такое развитие технических возможностей, что мы научимся прогнозировать землетрясения?
— Вопрос сложный, потому что землетрясение — процесс очень полифакторный. Дело в том, что очень часто давались прогнозы того или иного сейсмического события по тому, что фиксировался рост напряжений. Но в каких-то местах это действительно происходило, а в каких-то напряжения релаксировались, расслаблялись, и ничего не происходило. Поэтому, по-видимому, существует много причин, которые нам пока не позволяют точно сказать, произойдет это или не произойдет. Хотя стремиться к этому, конечно, надо.
— Если мы к этому все-таки стремимся, то по какому пути и в каком направлении надо двигаться, чтобы все получилось?
— Сейчас вопросы сейсмологии приобретают междисциплинарный характер. Это не только сейсмологи, фиксирующие распространение сейсмических волн, это и геомеханики, изучающие условия разрушения горной породы. Помимо теоретических моделей, которые рассчитывают геомеханики, должны быть поставлены корректные эксперименты, которые так или иначе иллюстрируют вопросы механического разрушения.
Есть геологи, которые знают об условиях и характере общей динамической и тектонической обстановки в регионе. Есть сейсмотектонисты, оценивающие во времени частоту повторяемости событий, которые происходили в том или ином регионе. Петрологи изучают состав пород, температур, при которых происходит преобразование вещества. Они должны знать, что и во что превращается, расписывать реакции между минералами, между элементами и тем самым оценивать условия, при которых это реально возможно. Есть геохимики, изучающие химию элементов.
— Значит, всем надо объединиться?
— Да. Пока у всех свои задачи, результата не будет. Хотя эти задачи тоже очень важны и значимы. Но если говорить о процессах сейсмологии, то здесь надо иметь очень мощную экспериментальную базу и стремиться к объединению многих специальностей.
