Tysiąc stacji sejsmicznych rejestrowało fale generowane w wyniku eksplozji trotylu. Zapis całego eksperymentu wygląda jak swego rodzaju tomografia – prześwietlenie Ziemi.

Jak głęboko jest Moho?

Mariusz Karwowski

Niewprawne oko zobaczy najpierw mnóstwo nieregularnych linii i paletę barw niczym z impresjonistycznych obrazów. Dopiero po chwili, gdzieś na horyzoncie, wyłania się dobrze znany kształt „skandynawskiego psa”, a zaraz po nim – „włoski but kopiący Sycylię”. Ta mapa Europy jest jednak inna od pozostałych. Jej autor, prof. Marek Grad z Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego, z dumą pokazuje to, co dotychczas nikomu się nie udało. Owszem, mapy głębokości granicy między skorupą a płaszczem Ziemi wykonuje się, ale do konkretnych obszarów, np. tarczy bałtyckiej, Alp, Półwyspu Apenińskiego. Nie było odważnego, który połączyłby je w całość.

– Fizycznie jest to granica rozdzielająca dwa różne ośrodki, w tym przypadku skały kwaśne i zasadowe skorupy od skał ultrazasadowych płaszcza Ziemi. Dlatego nazywa się ją granicą nieciągłości bądź granicą Moho – tłumaczy.

Na jej istnienie wpadł chorwacki meteorolog i sejsmolog Andrija Mohorovičić. To taki ichni Kopernik. Sto lat temu odkrył różnicę w prędkości rozchodzenia się fal w głębi Ziemi. W płytszych warstwach osiągają one 5−6 km/s, ale od pewnej głębokości prędkość zwiększa się do 8 km/s. Określenie tej granicy załamania od dawna nurtowało badaczy.

KOLOROWA EUROPA

Wiadome było, że skokowa zmiana prędkości fal musi mieć bezpośredni związek z gęstością skał budujących wnętrze Ziemi. Najbliżej powierzchni znajdują się skały osadowe, a więc piaskowce, wapienie, margle, następnie – skorupa krystaliczna, czyli głównie granity, pod nimi – bazalty, a kolejna warstwa to już górny płaszcz, w składzie którego dominują oliwiny. O ile skały skorupy, z dużą zawartością krzemionki, mają gęstość od 2,6 do 3 g/cm3, o tyle w płaszczu dochodzi ona do 3,3 g/cm3. I właśnie to przejście od skał lżejszych do cięższych zwane jest granicą Moho. Nie w każdym miejscu występuje ono na takiej samej głębokości. Zależy to od grubości poszczególnych warstw skorupy ziemskiej.

– Na przykład w Polsce mamy grubą, miejscami 20−kilometrową, warstwę skał osadowych, których w Finlandii… praktycznie nie ma, bo ta warstwa została zdarta, zerodowana. Granit występuje tam na powierzchni, podczas gdy my musimy wydobywać go w kamieniołomach. Paradoksalnie, to jednak właśnie tamte rejony są zaznaczone na naszej mapie najciemniejszym kolorem, co znaczy, że Moho znajduje się poniżej 60 kilometrów – wyjaśnia prof. Grad.

Paradoks bierze się stąd, że prawdopodobnie miała tam dawniej miejsce subdukcja, a więc nasunięcie się na siebie dwóch płyt tektonicznych. W wyniku tego w Finlandii, kraju nizinnym, grubość skorupy ziemskiej jest taka jak w… Himalajach. Ciemny niebieski, granat, a nawet fiolet, czyli najgłębsza granica Moho, to zresztą typowe kolory całej Skandynawii. Ale ta niecodzienna mapa mieni się różnymi barwami. Terytorium Węgier, tzw. basen pannoński, zaznaczone jest na żółto, co oznacza cienką, około 20−kilometrową skorupę. Czerwień przechodząca w pomarańcz występuje na Morzu Śródziemnym, gdzie mamy do czynienia z bardzo młodą, jeszcze płytszą, bo zaledwie kilkunastokilometrową skorupą. Z kolei różne odcienie zieleni, a więc średnia głębokość 30 km, dominują w całej Europie Zachodniej. W Alpach i Pirenejach – głęboka skorupa, a więc znów kolor niebieski. Ciekawym terytorium badawczym okazała się Polska, leżąca na styku trzech wielkich jednostek tektonicznych.

– Gdybyśmy przeprowadzili linię biegnącą od Koszalina do Lublina, to powyżej niej byłaby platforma prekambryjska, od zachodu – fragment platformy paleozoicznej, która dołączyła około 350 mln lat temu, a na południu – najmłodszy orogen karpacki i alpejski, datowany na jakieś 100 milionów lat temu – opisuje geofizyk, bez fałszywej skromności przyznając jednocześnie, że właśnie obszar Europy Centralnej zbadany jest najdokładniej.

TAJEMNICA JEDNEJ STACJI

Biorąc pod uwagę to, że granica Moho znajduje się dość głęboko we wnętrzu Ziemi, metodami bezpośrednimi, takimi jak choćby odwierty, osiągnąć się jej nie da. Kiedy Mohorovičić obserwował fale sejsmiczne, mógł to czynić jedynie przy okazji naturalnych trzęsień ziemi. Tylko że zanim na dobre zabrał się za rejestrację, musiał znaleźć lokalizację ogniska takiego trzęsienia. A sto lat temu było to sztuką nie lada. Zdarzało się, że błąd sięgał nawet kilkudziesięciu kilometrów. Oprócz małej precyzji inną wadą była czasochłonność – na trzęsienie można było czekać miesiącami. Polskim naukowcom w sukurs przyszły aktywne metody sejsmiczne, które polegają na sztucznym wzbudzaniu fal. Za pomocą nowoczesnych technik GPS, zapisów cyfrowych, można określić czas rejestracji fali z dokładnością do 1 milisekundy, a położenie źródła fal – z dokładnością do kilku metrów. Pierwszy taki eksperyment – POLONAISE ’97 – trwał dwa tygodnie, a w tym czasie ponad 600 przenośnych stacji sejsmicznych rejestrowało sztucznie wygenerowane fale. Ładunki trotylu umieszczano w specjalnych odwiertach na głębokości około 50 metrów.

– Dzięki temu większa była efektywność wybuchu, a poza tym chodziło też o to, aby nie powodować żadnych szkód na powierzchni. Niemal cała energia idzie wówczas w falę sprężystą – tłumaczy prof. Grad.

Prześwietlenie Ziemi falami sejsmicznymi działa na podobnej zasadzie jak radar czy echosonda. Po wzbudzeniu fala sejsmiczna (sprężysta) ulega odbiciu, a rejestrując ją (czas odbicia), można z dużą dokładnością określić, na jakiej głębokości znajduje się granica Moho, a nawet, jaki ma kształt. Co więcej, tak precyzyjne badania dają też pełen obraz budowy skorupy ziemskiej. Przed wyjazdem w teren wszystkie stacje były odpowiednio programowane. Po zakończeniu eksperymentu każda wracała do centrum dowodzenia i tam zgrywano z nich dane. Do badania wykorzystano ponad połowę ówczesnych światowych zasobów stacji sejsmicznych. Jedna kosztowała kilka tysięcy dolarów. Można więc wyobrazić sobie miny naukowców, gdy w miejscu jednej z nich zastali tylko pusty dół. Zaginięcie zgłoszono na policji.

– Policjant zapytał, w którym miejscu dokładnie stało to urządzenie. Kiedy koledzy mu powiedzieli, nie miał wątpliwości, gdzie go szukać. Pojechali do nieodległej wioski, zatrzymali się przed jednym z domów, widzą, że gospodarza nie ma, ale policjant instynktownie zajrzał przez szparę do garażu. Zaginiona stacja stała na betonowej podłodze, jeszcze pracowała, wszak tak była zaprogramowana, i wszystkie eksplozje zarejestrowała – ze śmiechem wspomina uczony.

NOCNE STRZAŁY

Opracowując wyniki z pierwszego eksperymentu, o mapie Moho jeszcze nie myślał. Wspólnie z prof. Aleksandrem Guterchem z Instytutu Geofizyki PAN mieli już za to w głowie kolejny projekt, tym razem obejmujący większy obszar. Badanie CELEBRATION 2000 trwało trzy tygodnie i uczestniczyło w nim blisko tysiąc osób z Rosji, Białorusi, Niemiec, Słowacji, Czech, Austrii i Węgier. Tym razem postawiono aż 1200 stacji. Połowę dostarczyli Amerykanie i Kanadyjczycy. Urządzenia ustawiono co 3 kilometry. Punkty strzałowe usytuowane były średnio co 30 kilometrów. Wybierano miejsca niezamieszkane, łąki, poręby, nieużytki… W sumie oddano 150 strzałów, w ciągu jednej nocy – około 20. Dokonywano ich tylko w nocy, kiedy zakłócenia naturalne i wywołane przez ludzi są znacznie mniejsze – nie pracują fabryki, ruch samochodów jest mniejszy niż w dzień. Wszystko rozpisano co do sekundy. Uzgodniono, że Polacy strzelają o godzinie 0:15, 0:30, 0:45, Słowacy o 1:00, 1:15 itd. Po każdej eksplozji następował kwadrans przerwy po to, aby kolejny strzał nie zaburzał zapisu następnego.

– Z każdego punktu strzałowego rejestrowaliśmy fale: wolniejsze, rozchodzące się w skorupie i szybsze – z płaszcza, jednym słowem kompletne pole falowe, na podstawie którego analizowaliśmy, z jakimi skałami mamy do czynienia. Można powiedzieć, że uzyskiwaliśmy coś na kształt medycznej tomografii, a prześwietlenie wykonywaliśmy za pomocą fal sejsmicznych.

Również i po tym eksperymencie o mapie Moho nie było jeszcze mowy. Dopiero po kolejnych projektach – ALP 2002 i SUDETES 2003, gdy danych spływało coraz więcej, pojawiła się myśl, żeby stworzyć mapę całego kontynentu. Pozostało „jedynie” zdobyć materiały z innych obszarów. We Włoszech ktoś miał szczegółową mapę głębokości Moho na Sycylii, inny robił badania niewielkiego fragmentu w okolicach Grecji… I tak, krok po kroku, niektóre pozyskane modele przenosząc z papieru na wersję cyfrową, stworzono mapę obejmującą swym zasięgiem obszar od grzbietu śródatlantyckiego na zachodzie po Ural na wschodzie i od basenu Morza Śródziemnego na południu aż po okolice Spitsbergenu. W sumie skorzystano z pomocy ponad pół setki osób z całej Europy, utworzono 250 zbiorów danych. W połączeniu tego w całość polskiemu uczonemu pomagał dr Timo Tiira z Uniwersytetu w Helsinkach. Efekt ich prac dostępny jest w Internecie.

– Takie było od początku założenie, aby udostępnić mapę w wersji cyfrowej i by każdy mógł ją wykorzystać, czy to w tomografii sejsmicznej, czy do określania lokalizacji ognisk trzęsień ziemi.

WKRÓTCE GÓRY… ŚRÓDZIEMNE

W Europie, co widoczne jest na mapie prof. Grada, duże zagrożenie sejsmiczne występuje w rejonie śródziemnomorskim, gdzie dochodzi do kontaktu cienkiej skorupy z grubą. Przemieszczanie się płyt tektonicznych powoduje powstawanie trzęsień ziemi. W Polsce obawiać się ich nie musimy, mimo obecności kontaktu płyty prekambryjskiej i paleozoicznej.

– Granica między Baltiką (platformą prekambryjską) a platformą zachodnioeuropejską (paleozoiczną) jest już zasklepiona, współcześnie nieaktywna. Połączenie płyt miało miejsce około 350 milionów lat temu. Oczywiście, zdarzają się niewielkie trzęsienia, jak ostatnio w południowej Szwecji czy kilka lat temu w okolicach Kaliningradu, ale nie są one tak silne, jak choćby te w Kalifornii czy Turcji, a ich mechanizm nie jest raczej związany z kolizją płyt w przeszłości.

Pokazując mapę Moho prof. Grad zwraca uwagę na jeszcze jedno ciekawe miejsce – Morze Śródziemne. Teraz wciśnięte między dwa kontynenty, już za około 50 milionów lat – przewiduje mój rozmówca – w wyniku kolizji Afryki z Europą… zniknie z map. Na jego miejscu pojawią się wysokie góry. Proces wyglądać będzie tak jak ongiś nasunięcie się wspomnianych już dwóch płyt tektonicznych w rejonie Finlandii. Ponieważ działo się to miliard lat temu, góry powstałe w wyniku takiego procesu, zostały najzwyczajniej w świecie „starte”.

– Podobnie będzie z Himalajami, tylko że ani my, ani nawet nasi prawnukowie tego nie dożyją – konkluduje.

Znacznie wcześniej powstanie za to o wiele precyzyjniejsza mapa Europy Centralnej, gdzie na każdej głębokości podana będzie charakterystyka fizyczna skał, czyli prędkość rozchodzenia się fal podłużnych, poprzecznych, gęstość… Będzie to model trójwymiarowy, który pokaże, czy mamy do czynienia ze skałą osadową, czy może górną bądź dolną skorupą. Ta mapa też jednak nie pokaże, gdzie należy… szukać złota. Bo przy mapie Moho i z takimi nieziemskimi pomysłami się spotykał. Kwituje je jedynie homerycznym śmiechem.

– Co z tego, że nawet znaleźlibyśmy pokłady złota na głębokości 60 km? Kto się do nich dokopie? Na razie najgłębszy otwór na świecie – na półwyspie Kola – ma 12,1 kilometra, a Niemcy w Bawarii skończyli wiercić na dziewiątym kilometrze. Poza tym, gdybyśmy chcieli zbadać dokładnie strukturę, np. w celu poszukiwania źródeł ropy czy gazu, to rozdzielczość, z jaką pracujemy, jest za mała. Do tych celów służy sejsmika refleksyjna, która koncentruje się na detalach i potrafi określić szczegóły budowy z dokładnością do kilku metrów – podkreśla prof. Grad.

Oczywiście, jego eksperymenty mogą podsunąć pewne pomysły, gdzie szukać surowców – jeśli ropa, to przecież nie na liczącej miliard lat Baltice, ale bardziej tam, gdzie zachodziły najnowsze procesy – niemniej, konkretnego miejsca nie wskażą. Dają wyobrażenie, jakie procesy zachodziły na kontynencie na przestrzeni ostatnich kilkuset milionów lat i na tej podstawie pewne koncepcje, hipotezy można stawiać. Jednym słowem, by użyć zgrabnego porównania twórcy mapy Moho, tu nie szuka się grzybów, tylko lasu. Jak się już go znajdzie, to można wysłać doń grzybiarza. Ale znalezienie kurki czy maślaka należeć będzie tylko do niego samego.