Нужно ли так подробно, так тщательно исследовать этот неуютный, неудобный для жизни ледяной континент? Что в нем найдешь кроме удовлетворения любознательности человеческого ума?

Оказывается нужно. Нужно для познания нашей Земли во всех проявлениях ее природы, нужно для того, чтобы понять, как бережно надо относиться к ней, как хрупка ее биосфера, определяющая это уникальное явление – жизнь во Вселенной.

Климатический режим в Антарктике влияет на климатический режим всей планеты, его нарушения влекут за собой трудно предсказуемые изменения на Земле. Физические поля Антарктики имеют особое значение для планеты в целом. Наконец, Антарктика является кладовой многих необходимых человеку минеральных и пищевых ресурсов и в первую очередь пресной воды, недостаток которых ощущается уже сейчас. Обсуждаются проблемы эксплуатации этих ресурсов, но мы глубоко убеждены, что кроме водных все остальные должны сохраниться для будущего человечества.

Мы верим в светлое будущее, в то, что человеческий разум победит и средства, предназначенные на подготовку войны, которая может быть только самоубийством человечества, будут направлены на обеспечение людей всем необходимым и на сохранение жизни на планете.

 

Электромагнитные явления. Магнетизм

Далее мы убедимся, что исследовать Антарктиду достаточно детально можно только методами современной геофизики.

С начала Международного геофизического года (1956 г.) широкий комплекс таких исследований ведется в Антарктиде. Большое внимание уделяется изучению электромагнитных явлений. Природа возникновения и генерации магнитного поля Земли до сих пор не установлена. Раньше предполагалось наличие в Земле постоянной намагниченности. Однако это исключается высокими температурами мантии и ядра, при которых неизбежно размагничивание любого постоянного магнита. Температура ядра оценивается в 4000–5000 °C, давление – от 1,3-10 до 3,5-106 МПа. Предполагается, что магнитное поле Земли генерируется процессами, подобными процессам, протекающим в динамо-машине. Считают, что во внешнем жидком электропроводящем ядре Земли происходят течения, имеющие характер винтообразных валов. Эти валы пронизывают силовые линии, проходящие с севера на юг. Выходя из полюсов, они охватывают Землю силовыми линиями магнитного поля.

Сейчас не ясен механизм, приводящий в действие эту динамо-машину. Возможно, это тепловой механизм. Тогда не требуется различия в состоянии вещества во внутреннем и внешнем ядре, но необходим источник энергии. Таковым может быть распад радиоактивных изотопов, например урана-238. Другая гипотеза основывается на гравитационном механизме работы динамо-машины. В этом случае причина течений в ядре, вызываемых гравитационным механизмом, – различие плотностей: более тяжелые части ядра опускаются, более легкие поднимаются, кристаллизуются во внешнем ядре, уплотняются и вновь опускаются вниз, поддерживая процесс гравитационной конвекции.

Как бы то ни было, изучение внешнего магнитного поля, в том числе полярных сияний, дает ключ к познанию внутреннего строения Земли, в частности ее ядра. Изучение магнитных силовых линий и их проявлений лучше всего проводить в полярных областях. Здесь силовые линии наиболее сконцентрированы, меньше всего подвержены искажению солнечным ветром. Только здесь наблюдаются полярные сияния.

В полярных странах удобно наблюдать и космические лучи, и вариации их потока в связи с вариациями межпланетного магнитного поля и солнечными хромосферными вспышками. Отмечено, например, что после начала солнечной вспышки интенсивность полярных сияний резко падает и через 2–3 мин они вовсе исчезают, однако в фазе максимума вспышки появляются вновь. Такие интересные явления и многие другие проливают свет как на внутреннее строение Земли, так и на многие космические явления.

С вариациями магнитного поля связано распространение радиосигналов. Этот вопрос имеет большое практическое значение для деятельности человека на всей планете.

Для исследования магнитного поля большую роль играет советская станция Восток, расположенная вблизи Южного геомагнитного (материкового) полюса. Станция Молодежная находится в зоне полярных сияний. Накопился большой объем наблюденных данных. Обнаружены две области аномально быстрого изменения вариаций магнитного поля и линия нулевых изменений магнитного склонения, которая оставалась постоянной в течение 145 лет. Это означает, что все указанное время вдоль этой линии проходил дрейф Южного геомагнитного полюса со скоростью около 12 км/год. По-видимому, дрейф носит периодический характер и происходит по замкнутой траектории с периодом около 4000 лет.

Вообще магнитное поле Антарктиды испытывает большие вариации и сильно аномально. Так, различия в вертикальной составляющей напряженности магнитного поля даже на малых (порядка 10 км) расстояниях могут достигать 800 мА/м.

Установлена зависимость магнитных возмущений от солнечной активности. Выявлен интересный факт постоянства зоны максимальной магнитной возмущенности в дни спокойного солнца. Сопоставление явлений полярных сияний с состоянием магнитного поля показало, что полярные сияния наблюдаются при спокойном магнитном поле. Они почти не возникают при возмущениях и магнитных бурях.

Изучение магнитного поля Антарктиды, т. е. вблизи ее Южного полюса, очень важно для познания взаимосвязи атмосферных явлений на Земле с солнечной активностью и космическим излучением. В этой области еще много неясного и в то же время важного для жизнедеятельности человека.

Изучение магнитного поля, его постоянной составляющей и вариаций важно и для познания недр Антарктиды. Мы уже рассказывали, как с помощью палеомагнетизма удалось прочитать древнюю историю материка и его связи с другими частями Гондваны. Локальные магнитные аномалии указывают на наличие намагниченных горных пород в самых верхних слоях коры, таких, как железная руда, железистые кварциты и некоторые другие. Изучение этих аномалий помогает разведке запасов полезных ископаемых и формированию представлений о строении верхних слоев земной коры континента.

Магнитные аномалии часто связаны с поверхностью кристаллического фундамента, глубины залегания которого можно рассчитать по изменениям магнитного поля. В этом большую роль играет комплексирование магниторазведочных работ с гравитационной разведкой. Комплексирование методов позволяет уменьшить неоднозначность решения задачи и вычислить глубины залегания структур, вызвавших аномалии, и даже порой определить их вещественный состав.

 

Сейсмичность. Сейсмические методы исследований

До начала Международного геофизического года, т. е. до 1956 г., в южных полярных областях никогда не проводились сейсмические наблюдения. В 1956 г. начала работать сейсмостанция Мирный, в 1957 г. – Оазис Бангера, с 1962 г. – станция Новолазаревская. В это же время был организован ряд сейсмостанций других стран. Работают сейсмостанций на всех основных обсерваториях в Антарктиде: Мак-Мердо, Литл-Америка, Уилкс, Сева, Дюмон-Дюрвиль и др.

В задачи работы этих станций входят изучение сейсмичности континента и окружающих акваторий, исследование строения земной коры Антарктиды, наблюдение за микросейсмами и объяснение их природы, наконец, изучение динамических процессов в ледниковом покрове Антарктиды. Это задачи стационарных сейсмических работ. Кроме того, сейсмические методы применяются для измерения толщины льда и изучения геологических структур. Но это несколько иной аспект. На нем остановимся позже.

По длительным стационарным наблюдениям в Антарктиде установлены два интересных факта.

Антарктида – континент асейсмический. Она представляет собой древнюю консолидированную платформу, так называемый кратон, в котором устоялись все тектонические процессы и нет оснований ожидать сейсмической активности. Было зарегистрировано несколько незначительных землетрясений. Наиболее крупное произошло 15 октября 1974 г. в Трансантарктических горах вблизи побережья моря Росса. Его магнитуда была 4,9, глубина очага 33 км, т. е. это мелкофокусное землетрясение. Вблизи этого места находится и упоминавшийся ранее вулкан Эребус, извержение которого наблюдал в январе 1841 г. Джеймс Росс.

В 1982 г. 4-го ноября было зарегистрировано значительное землетрясение на самом континенте, на Земле Королевы Мод, в 1200 км от побережья в точке с координатами 81°20 ю. ш. и 37° в. д. Магнитуда его-4,5. Точность определения положения эпицентра ±10 км. В районе эпицентра толщина льда достигает 3000 м, а высота подледного ложа около 500 м. Землетрясение зарегистрировано пятью станциями в Антарктиде и четырьмя внешними. Явление это для Антарктиды уникальное. Однако аналогичное землетрясение было зарегистрировано в сентябре 1983 г. Эпицентр этого землетрясения расположен в 200 км от береговой линии Земли Уилкса. Магнитуда 4,5. Таким образом, заключение об асейсмичности, возможно, преждевременно.

Сейсмический пояс Антарктики приурочен к зонам альпийской молодой складчатости, расположенной далеко в океане вокруг Антарктиды. Этот пояс соединен с главными сейсмическими поясами земного шара. Так, от о. Маккуори к западу Тихоокеанский сейсмический пояс соединяется через Австрало-Антарктическое поднятие с сейсмическим поясом Индийского океана и далее, через Африкано-Антарктический океанический хребет с Атлантическим сейсмическим поясом. Наличие эпицентров землетрясений между Южно-Антильским и Африкано-Антарктическим хребтами (о-ва Буве, Южные Сандвичевы) указывает на связь Тихоокеанского и Атлантического сейсмических поясов. Юго-западная часть Тихоокеанского пояса соединяется через Южно-Тихоокеанский хребет с Южно-Американским сейсмическим поясом. Так что асейсмичная Антарктида окружена активным сейсмическим поясом. В этом можно усматривать проявление процесса раскола Гондваны. Сейсмические пояса одновременно являются областями разрастания океанического дна и раздвижения литосферных плит.

Наблюдения за скоростями прохождения сейсмических волн далеких землетрясений и их отражениями от различных плотностных горизонтов позволяют вычислить мощность земной коры.

Под континентами на глубине 30–40 км скорость распространения продольных упругих волн, возникающих от землетрясений или искусственных взрывов, изменяется скачком от 7–7,5 до 8–8,5 км/с. Под океанами это явление наблюдается на глубинах от 3 до 15 км. Соответственно здесь изменяется и плотность горных пород от 2,7–2,9 до 3–3,3 г/см3. Эта область названа границей Мохоровичича – по имени югославского геофизика, впервые обнаружившего и истолковавшего данное явление. Границу Мохоровичича, или, как часто говорят, границу Мохо, считают границей земной коры. Глубже начинается верхняя мантия. На основании многочисленных наблюдений за далекими землетрясениями на антарктических сейсмостанциях определена средняя мощность коры. Для Восточной Антарктиды она оказалась около 30–40 км, для Западной получен большой разброс значений – от 8 до 20 км. Далее мы особо остановимся на строении земной коры Антарктиды, полученном методами комплексирования глубинного сейсмического зондирования и гравиметрии.

Подчеркнем большую роль стационарных сейсмостанций в изучении микросейсм, т. е. малых колебаний почвы, связанных с целым рядом причин.

В период весеннего таяния льда при сильных ветрах возникают короткопериодные микросейсмы – сезонные явления. В то же время длиннопериодные микросейсмы наблюдаются круглогодично – они связаны с атмосферными возмущениями, происходящими за внешней кромкой льдов. В основном микросейсмы сопутствуют штормовой погоде с ветрами, дующими в сторону берега. Таким образом, микросейсмы связаны с погодными условиями и указывают на циркуляцию атмосферы в различных областях над океаном. Короткопериодные микросейсмы появляются также при подвижках льда, отколах айсбергов, разрывах ледников. Эти микросейсмы дают ценную информацию для изучения динамики ледового покрова.

В Антарктиде широко применяется метод сейсморазведки, основанный на изучении распространения упругих волн при искусственных взрывах. По отраженным от подледного каменного ложа волнам он позволяет определить толщину льда, а также глубины залегания других горизонтов. Для небольших глубин при определении толщин льда применяется метод отраженных волн (MOB) или корреляционный метод преломленных волн (КМПВ). Для изменения глубины залегания переходного слоя от коры к мантии – поверхности Мохо – используется так называемый метод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). Все эти методы связаны с мощными взрывами, когда происходит сильное сотрясение почвы. Взрывная волна распространяется в земле со скоростью, зависящей от плотности пород. Чем плотнее породы, тем больше скорость. При переходе через границы плотностей происходят частичное отражение и частичное преломление волн. Приемник на поверхности земли может зарегистрировать момент прихода волны и ее скорость. Тогда можно рассчитать длину пройденного волной пути и глубину до поверхности, от которой произошло отражение. Волна, возбужденная на поверхности льда, распространяясь через него со скоростью v, отразится от поверхности коренных пород, на которых залегает лед. Так мы узнаем толщину льда. Далее, распространяясь в глубь коры, волна отразится от границы перехода гранитного слоя к базальтовому и, наконец, от поверхности Мохо. Однако этот метод в условиях Антарктиды встречает много трудностей, и его применение весьма ограниченно. Сейчас широко используются радиолокационные методы измерения толщин льда, а применение для этой цели сейсмического метода отраженных волн теряет свою значимость, так же как потерял ее и гравиметрический метод.

 

Гравиметрия в Антарктике

С первых дней планомерного исследования Антарктики в период МГГ начались гравиметрические работы. Изучение гравитационного поля представляет большой интерес, поскольку оно может рассказать об особенностях строения коренных пород, скрытых под толстым слоем льда, и крупных тектонических нарушениях в них типа разломов и сбросов, о мощности ледового покрова и рельефе коренных пород, на которых залегает лед, толщине земной коры под Антарктидой, рельефе так называемой границы Мохоровичича, особенностях строения земной коры в областях перехода от континента к океану, влиянии ледовой нагрузки на положение поверхности Мохоровичича и уравновешенности этой нагрузки, т. е. об изостатическом состоянии Антарктиды.

Как известно, аномалии гравитационного поля, т. е. отклонения его от некоторого правильного закономерного изменения, зависят от распределения плотностей в Земле. Поэтому по аномалиям можно судить об этом распределении. Там, где резко изменяется плотность, где плотные породы подходят ближе к поверхности или, наоборот, удаляются от нее, возникают соответственно положительные или отрицательные аномалии силы тяжести. Быстро изменяющиеся по поверхности аномалии говорят о неглубоко расположенных изменениях плотностей, а протяженные, даже небольшие по величине аномалии свидетельствуют о наличии протяженных, глубоко залегающих масс.

Поскольку плотность льда (0,9 г/см3) сильно отличается от плотности коренных пород (2,6–2,8 г/см3), на которых он залегает, в местах, где эти коренные породы подходят близко к поверхности, а слой льда тонкий, возникают положительные аномалии силы тяжести и, наоборот, где коренные породы лежат глубоко и слой льда толстый, аномалии будут отрицательные. Такая же закономерность характерна и для границы Мохо, где плотность изменяется от 2,7–2,9 до 3,2–3,3 г/см3. Но эти изменения происходят на больших глубинах, массы, вызывающие аномалии, имеют большое протяжение, и аномалии тоже протяженные, региональные. Метод гравиметрического определения глубин залегания является относительным, и с его помощью мы можем определить, например, толщину льда в каком-то месте относительно другого, где она известна. Геофизическим методом, дающим абсолютные глубины залегания, является метод сейсмической разведки. Получив такие данные в нескольких местах сейсмическим методом и зная для этих мест величину аномалий силы тяжести, выводят формулы, по которым можно рассчитать толщину льда и земной коры только по гравиметрическим данным. Поэтому гравиметрическая съемка в Антарктиде играет очень важную роль. Она помогает изучать общее строение материка, крупные геологические структуры и искать полезные ископаемые.

Рис. 7. Усредненная гравиметрическая карта Антарктики

Изучение гравитационных аномалий позволяет решить, например, такую задачу: находится ли шельфовый ледник на плаву или лежит на грунте. Именно гравиметрия показала, что открытая в 1960 г. на шельфовом леднике советская антарктическая станция Лазарев расположена в опасном месте. Ледник здесь находится на плаву, и не исключена возможность катастрофы. Станция была перенесена на новое, безопасное, место и получила название Новолазаревская. Поле аномалий силы тяжести представляется обычно в виде гравиметрических карт, на которых аномалии силы тяжести показаны или непрерывными линиями, так называемыми изоаномалами, или подписями в точках наблюдений, или усредненными значениями в некоторых, стандартных по величине площадках. Генеральная гравиметрическая карта масштаба 1:5 000 000 была составлена д-ром техн. наук Н. Б. Сажиной. Трудные условия работ в Антарктиде не позволяют выполнить там сплошную, хотя бы по редкой сети, гравиметрическую съемку. Поэтому на карте остается много пустых мест – «белых пятен». Чтобы получить приблизительное представление об аномальном гравитационном поле всего континента, составлена карта средних аномалий силы тяжести (рис. 7). Большой интерес представляет также карта высот геоида в Антарктиде, характеризующая фигуру Земли для этой области. Фигура Земли представляется поверхностью, совпадающей с поверхностью воды в океанах и продолженной под континенты так, чтобы силовые линии гравитационного поля были всюду перпендикулярны к ней. Это неправильная, не математическая поверхность, и чтобы ее получить, используют эллипсоид, равновеликий по объему Земле, и от него отсчитывают высоты геоида. На рис. 8 показана карта геоида для Антарктики, построенная в 1985 г. по аномалиям силы тяжести и данным наблюдений искусственных спутников Земли (по А. Сегава).

Рис. 8. Карта геоида Антарктики