Как открыть месторождение и может ли в Петербурге начаться землетрясение? Отвечают геологи

Появляются ли в мире новые минералы и горные породы? Какие регионы России самые сейсмоопасные? Правда ли, что запасы нефти могут восстанавливаться? И какие драгоценные камни самые дорогие?

«Фонтанка» предложила читателям задать вопросы геологам. И вы прислали нам много сообщений: интересовались происхождением нефти, современными технологиями, перспективами открытия новых месторождений в Ленобласти и Карелии. Как и обещали, самые интересные вопросы мы задали ученым: сотрудникам Всероссийского научно-исследовательского геологического института имени А. П. Карпинского.

За разъяснениями мы обратились к Татьяне Юрьевне Толмачевой, ученому секретарю Института Карпинского. И вот что она рассказала: оказывается, уже сейчас в нашем регионе известно около 3 тысяч залежей полезных ископаемых, а разрабатываются из них только 800. Многие из тех, которые так и остались лишь на карте, при нынешнем уровне технологий добычи разрабатывать просто нерентабельно.

В Ленинградской области есть фосфориты, горючие сланцы и подземные воды, но разрабатываются и облицовочные камни, песчаники и гравий, глина, известняк и торф. В Карелии — месторождения железной руды, титана, ванадия, молибдена, никеля, благородных металлов, алмазов. Есть также слюда, строительные материалы (граниты, диабазы, мрамор).

Наиболее крупные перспективы поисков и добычи полезных ископаемых в Ленинградской области связаны с обнаружением многочисленных железомарганцевых конкреций на дне Финского залива — а это источник многих элементов: в основном, марганца, но могут в них содержаться также кобальт, ванадий и другие. Есть небольшие шансы найти у нас месторождения углеводородов и алмазов.

В Карелии вероятность обнаружения неизвестных залежей также относительно невелика, хотя регулярно там находят что-то новое.

На этот вопрос нам ответил Василий Леонтьев, заместитель директора Центра ПМИ Института Карпинского.

Давным-давно все месторождения именно так и открывались: крестьянин находил на поле интересный камень, нес его — в российских реалиях — к горному инженеру, тот изучал и говорил: тут можно добывать золото. Или изумруды. Или железную руду.

Затем в России, в том числе трудами основанного в 1882 году Института Карпинского (тогда — Геологического комитета) началось системное изучение геологии. И уже благодаря этому большая часть нашей страны покрыта геологической съемкой. То есть ученые ходили «в поле», изучали, делали выводы и строили специальные карты.

— В так называемый золотой век геологии, это 70–80-е годы XX века, была открыта большая часть месторождений металлов, нефти и газа, — сообщил нам эксперт. — Всё, что лежало «наверху», обнаружили в результате системных работ — съемочных и потом поисковых.

Так что сейчас, если вы нашли в поле рубин или какой-то другой интересный камень, или даже самородок, лучше обращаться не к геологам, а к археологам. Нет, существует и вариант, что вы открыли пропущенное месторождение, но это уже, по словам Леонтьева, на грани фантастики — практически нереально при нынешней степени геологической изученности.

По словам Василия Леонтьева, для тех, кто хочет стать первооткрывателем, не всё потеряно. В нашем законе о недрах в 2014 году появилась поправка, которая позволила брать лицензии на геологическое изучение по заявительному принципу.

То есть теперь можно получить разрешение на работу с недрами за стоимость госпошлины, а не на торгах и не на конкурсе, где его цена могла достигать миллиардов рублей. Это важно: без лицензии никакие работы с недрами проводить нельзя. Но для ее получения есть условие: на территории, на которую она берется, не должно быть известных месторождений или запасов полезных ископаемых.

— Допустим, вы сходили к гадалке, она ткнула пальцем, что вот здесь точно будет месторождение золота, — шутит эксперт. — Рисуете на карте участок, составляете заявку, платите пошлину и получаете лицензию на право пользования недрами. Можете искать там месторождение.

Разумеется, нужно решить еще ряд вопросов юридического и финансового характера, но это выходит за рамки нашего материала — прим.ред.

Само собой, советоваться нужно не с гадалкой, а с компетентным геологом, у которого есть грамотные идеи, почему-то не реализованные компаниями или институтами. Такой специалист ходит «в поле», смотрит материалы, наработки по этой территории, геологические карты и результаты предшественников. Возможно, выяснится, что они неправильно что-то интерпретировали и поэтому не нашли нужного ископаемого.

То есть, открыть месторождение самому все-таки можно — законодательная база для этого уже есть. Но для этого нужны очень хорошее образование, очень высокие компетенции, очень существенный опыт. И еще — талант, чувство недр, без которого сделать такое открытие гораздо сложнее. Или совсем уж уникальное везение.

На этот вопрос отвечает Ольга Николаевна Снежко, и. о. заведующего отделом отраслевых информационных систем и банков данных Института Карпинского.

Оба недавних крупных землетрясения тектонической природы. Они вызваны тем, что жесткие литосферные плиты находятся в постоянном движении — скользят по относительно пластичной астеносфере (это частично расплавленный слой в верхней мантии Земли — прим.ред). В процессе горизонтального перемещения плиты сталкиваются, давят и цепляются друг за друга. Из-за этого на их границах возникает напряжение, и его разрядка сопровождается серией землетрясений. Величина накопившегося напряжения и определяет магнитуды отдельных толчков и продолжительность бедствия.

В Турции пострадавший район находится в зоне контакта трех тектонических плит: Анатолийской, Аравийской и Африканской. Разрядка напряжений произошла в зоне Восточно-Анатолийских разломов, где были отмечены максимальные магнитуды и самое большое количество крайне разрушительных землетрясений. Очень удачно, если можно так сказать, сложилось, что вся серия толчков не произошла в один день. Тогда последствия были бы куда страшнее. Но период афтершоков мог быть и куда длиннее — например, когда на Кавказе было Рачинское землетрясение в 1991 году, колебания земли продолжались в течение многих месяцев.

В Марокко на контакте Африканской и Евразийской плит отмечалось всего два сильных толчка, и по энергетике основной был в 30 раз слабее турецких.

— Да, правда, рано или поздно землетрясение на Кавказе будет — сообщила Ольга Николаевна и затем добавила: — Но власти ничего не скрывают: на государственных картах сейсмического районирования Кавказ отмечен как один из наиболее сейсмоопасных регионов, где могут возникать разрушительные землетрясения интенсивностью до 10 баллов. И такие в том районе уже были: например, в Дагестане в 1970 году (М=6.6, интенсивность 8–9 баллов) или в Чечне 1976 году (М=6.2, 8–9 баллов). И они когда-нибудь еще будут.

В этом районе, к тому же, находятся Эльбрус и Казбек, которые считаются потухшими вулканами, однако ряд исследователей настаивает, что в них есть еще какая-то активность. А между извержениями и землетрясениями также есть связь.

Но нужно осознавать «геологическое время» — это не наше с нами время, это сотни тысяч лет. Поэтому долгосрочный прогноз всегда верен: рано или поздно землетрясение случится. Среднесрочный прогноз на десятилетия и сотни лет, можно сказать, оправдывается 50 на 50, как повезет. А в краткосрочной перспективе вообще никто надежно прогнозировать пока не берется. Одна из причин этого заключается в том, что в сейсмически опасных зонах землетрясения небольших магнитуд происходят постоянно и выделить начало подготовки крупного бедствия довольно сложно.

— Сейсмологи и другие ученые напрягаются, когда наступает так называемое сейсмическое затишье, то есть мелких землетрясений становится меньше, — говорит эксперт. — Есть причины предполагать, что «готовится» что-то крупное.

Также близость землетрясения может вызвать аномалии в подземных водах (резкие колебания уровней, исчезновение или появление новых источников или даже целых карстовых озер, изменение химического состава воды), эманации неспецифических газов, возникновение грязевых вулканов, изменения в физических полях и даже перемены в поведении животных.

К сожалению, до сих пор доподлинно не известен тот «спусковой крючок», который вызывает конкретное землетрясение. Ученые говорят: «накопилась энергия», но почему ее разрядка произошла именно сейчас? Подозревают влияние Луны, Солнца, других космогенных факторов, но до конца этот механизм пока не изучен.

В Японии, как сообщила нам эксперт, даже заявили, что прогнозирование невозможно, и решили направить все усилия на уменьшение последствий: сейсмостойкое строительство, обучение населения правилам безопасности и срочное оповещение в самом начале землетрясения. Мгновенное сообщение о бедствии очень важно: после фиксации сейсмостанциями первой, менее разрушительной, низкоамплитудной Р-волны землетрясения оно может дать несколько (в зависимости от расстояния до эпицентра) секунд на подготовку к высокоамплитудной разрушительной S-волне. Известны случаи удачного предупреждения, давшего до 8 секунд на реагирование (землетрясение в Сан-Франциско 24 августа 2014 года). Это очень много: можно отключить все представляющие опасность коммуникации, остановить поезд, машину или просто занять наиболее безопасное место и успеть взять документы и бутылку воды.

Однако, отметила эксперт, сейчас в России ведутся большие исследования и в «предсказательном» направлении.

В долгосрочной перспективе у каждого вулкана — своя периодичность извержений. И если ученые видят, что огнедышащая гора находится в определенной фазе развития, — это повод к чему-то готовиться. И у извержений, как сообщила нам эксперт, есть более надежные предвестники, чем у землетрясений.

Например, всегда перед извержением появляется так называемый сейсмический тремор — земля начинает дрожать из-за движений магмы. Следующий признак — меняется форма склона, гора «раздвигается» из-за повышения внутренней температуры. И даже из космоса этот процесс виден. А вот после того, как температура в вулкане перестает расти, и случается извержение. Это явный знак близкого бедствия. И еще меняется состав газов в жерле вулкана: больше становится сернистых. Этот процесс более или менее понятен, в отличие от землетрясения.

Так что предсказать извержение можно за несколько недель, но вот степень его разрушительности — не всегда. Иногда может случиться так, что недра дрожат, температура повышается — и вдруг открывается небольшой паразитический кратер на склоне и из него вытекает совсем немного лавы. Но так, разумеется, бывает не всегда.

Так что, делает вывод наша собеседница, геологические предсказания — вещь достаточно сложная.

— Это Сахалин, Камчатка с их вулканами, Забайкалье. Санкт-Петербург и Ленинградская область находятся в регионе, который сейчас не считается опасными, нам повезло. Но, тем не менее, землетрясения тут могут произойти, — ошарашила нас Ольга Николаевна.

Дело в том, что эти бедствия могут быть и техногенными: например, последствиями неправильной эксплуатации месторождений или строительства крупных сооружений без учета окружающей среды. Такое случилось в 1967 г. в Индии, в регионе Койна-Варна, где после постройки плотины произошло землетрясение магнитудой более 6 баллов — сравнимое с марокканским. В 1999 году на Кольском полуострове (Ловозерский массив) зафиксировано самое крупное в истории горной промышленности России техногенное землетрясение магнитудой 4.0. Оно привело к разрушению подземных выработок на площади 600 тыс. м.

На этот вопрос нам отвечает Сергей Андреевич Сергеев, директор Центра изотопных исследований Института Карпинского. Он же объясняет, почему этот вопрос тесно связан с предыдущим.

По словам эксперта, свежеобразованные горные породы мы можем увидеть, например, на экранах телевизоров, когда показывают извержение вулкана. Потоки лавы — это расплавленная горная порода. Через некоторое время, попав на поверхность, она остывает и кристаллизуется, становится твердой. Это и есть новообразованная горная порода.

Сходные процессы проходят и на дне океанов. Там есть так называемые «черные курильщики» — непрерывно поступающие из недр через донные трещины газы. В морской воде под давлением они кристаллизуются — и получаются новые минералы или смеси минералов.

Еще один вариант происхождения — газы, которые вырываются на поверхность из трещин в земной коре или в жерлах вулканов. Например, их много у вулкана Этна в Италии или огнедышащих гор и гейзеров Камчатки. Любые испарения, которые вырываются на поверхность, отлагают новые минералы. В частности, некоторые из них образуют очень красивые кристаллические поля (например, сера).

А вот совсем новые минералы и породы — это вопрос человеческого знания, появления более чувствительной аппаратуры и более точных методов анализа.

— С развитием инструментальных исследований мы можем открывать все больше неизвестных ранее минералов, — пояснил Сергей Сергеев. — Просто мы все, что уже есть на Земле, до сих пор не знаем.

Сергей Сергеев рассказал нам, что знакомые всем горные породы — это продукты рециклинга, то есть преображения веществ, которые возникли при сгущении газопылевого протопланетного облака. Так образовалась наша Земля, и с тех пор все, что составляет ее кору (и не только), подвергается постоянным изменениям.

За время существования планеты твердые вещества перемещались в глубины планеты, плавились, меняли химический состав, перемешивались и опять появлялись на поверхности — в виде расплавов.

— Возьмем гранит, тривиальный гранит, — приводит пример эксперт. — Сначала он образуется из расплава и кристаллизуется, поднимаясь ближе к поверхности. Дальше надземная его часть испытывает влияние воды, ветра и других разрушительных процессов. Под воздействием эрозии гранит превращается в песок. Песок переносится, накапливается в других местах, перемешивается с другим песком. Получается смесь из разных источников. Затем она уходит с поверхности вглубь недр, Там на нее воздействует давление, она нагревается и в результате превращается в осадочную породу. Это уже не песок, а песчаник.

А дальше еще интереснее: если песчаник погружается в зону высоких температур, он начинает плавиться, может мигрировать и застыть — опять в виде гранита. Но это будет уже другое место и другой гранит!

Первоначального вещества, которое было бы неизменно с момента появления планеты, сейчас практически не осталось. И крохотные его частицы — предмет охоты многих исследователей. Конечно, горных пород таких практически нет, но существуют самые устойчивые компоненты — кристаллы цирконов возрастом 4,25 млрд лет, которые не так давно нашли в Австралии. Есть и пятнышки на земной поверхности, где выходят породы возрастом 3,5–3,8 млрд лет, но их тоже очень мало.

Как пояснил наш эксперт, нефть — это, собственно, метан, а он на планете накапливается двумя путями. Один — из органических остатков, которые отлагались и преобразовывались в течение миллиардов лет.

— Например, — говорит Сергей Андреевич, — в озере жили какие-то водоросли, они там отмирали, падали на дно, накапливались, стратифицировались, уплотнялись, в них происходило образование метана. И в течение многих миллионов лет этот перегной из органического вещества постепенно превращался в столь желанную нам смесь углеводородов, имеющих свойство нефти.

Но этого мало! Представьте, как много органического вещества нужно, чтобы получить те объемы нефти, которые уже найдены и разведаны.

Поэтому ученые предположили, что не только органические остатки способны
производить эти самые углеводороды. Откуда еще они могут получаться? Оказалось, что второе по распространенности вещество в известной нам Вселенной после водорода — это моноксид углерода (СО, угарный газ). Он в больших количествах содержится во всем объеме нашей планеты. Но больше всего его в нижних горизонтах, где он взаимодействует с металлами, образуя соединения, которые называются карбиды. Если обеспечить взаимодействие таких веществ с водой на верхних горизонтах недр, то образуется метан и, соответственно, нефть. Этот способ называется абиогенным, и он, как представляется ученым, куда более масштабен, чем органический.

Вот задача будущих исследований: выяснять, какая нефть каким путем произошла. Делать это можно путем анализа металлов, которые содержатся в исходном веществе. Но пока заказов на такие исследования нет.

Эксперт привел пример, который, по его мнению, может стать доказательством абиогенного происхождения нефти: чеченские месторождения.

— Они очень насыщенные, очень, так сказать, жирные — нефть там высокого качества. И они были полностью вычерпаны немцами во время Великой Отечественной войны. А сейчас они опять полные — можно с ними работать, — сказал он.

Однако, во-первых, восполнение месторождений может объясняться и другими причинами, а во-вторых — занимать значительное время. Поэтому надо пристально изучать недра Земли, в том числе и основываясь на самых современных возможностях, и находить новые источники этого ценного сырья, которое должно использоваться для переработки. Сжигать нефть, по мнению Сергеева, — такое же преступление, как топить банкнотами печь.

На этот вопрос мы попросили ответить Василия Леонтьева.

Он рассказал, что классическими статистическими методами сейчас не ограничиваются и активно подключают к исследованиям искусственный интеллект. Но в геологии его применение пока затруднено тем, что процесс обучения ИИ очень сложен и долог.

Машинное обучение без учителя, кластеризация, к примеру, дает возможность увидеть в огромном количестве данных те закономерности, которые оставались скрытыми от человеческого взгляда. Но интерпретация таких открытий — задача специалистов и коллективов.

— Условно говоря, мы берем массив цифровых геофизических данных на площадь и смотрим, как размещены месторождения, — поясняет Василий Леонтьев. — Загружаем эти месторождения, передаем атрибуты, а нейросеть ищет зависимость распределения этих мест и выделяет какие-то кластеры. ИИ нам говорит: вот здесь есть такая зависимость, а ты подумай, откуда она. Мы смотрим и понимаем: да, мы сами бы ее не увидели, а теперь надо осознать, как ее применить.

Машинное обучение с учителем (классификация) может использоваться в распознавании карт и переводе их в электронный вид, а также для определения горных пород и минералов. Однако, как мы уже говорили, процесс обучения очень долог, поэтому пока этот метод применяется не так широко, как хотелось бы.

Современное программное обеспечение также позволяет создавать математические модели недр — и не только в разрезе, но и полностью объемную модель. Сейчас в этой области идет активное импортозамещение, и геологи надеются, что российские аналоги таких программ появятся в ближайшем будущем.

Дополнила ответ на этот вопрос Татьяна Толмачева.

По ее словам, внедрение новых информационных технологий в геологические исследования особенно ярко проявляется последние годы в региональном государственном изучении недр. Цифровые технологии вводятся на всех этапах: от полевых работ до прогноза, поисков месторождений полезных ископаемых и управления фондом недр Российской Федерации. Сегодня в информационную базу данных «Цифровой двойник недр России», расположенную на серверах института Карпинского, включено 120 тыс. геологических и прогнозно-минерагенических карт; 6,1 тыс. перспективных площадей; 650 тыс, месторождений, проявлений и пунктов минерализации; 15 тыс. уникальных геологических объектов; 8 тыс. изотопно-reохронологических и изотопно-геохимических определений, 2,1 млн первичных данных.

Но прогресс в геологии не сводится к внедрению цифровых технологий. Сейчас специалисты стараются проникнуть в самые отдаленные и труднодоступные регионы нашей страны, те, которые еще недостаточно изучены, — это в первую очередь Северо-Восток и Дальний Восток, Арктическая зона России.

На этот вопрос нам поможет ответить Сергей Андреевич Сергеев.

Цена не всегда определяется только красотой камня. Ведь кому-то могут нравиться сапфиры, другому человеку рубины, а третьему изумруды. Поэтому цена чаще всего связана с редкостью и уникальностью того или иного камня.

Для примера возьмем алмазы: сами по себе они довольно часты, их добывают сотнями тонн и используют на технические нужды — от промышленных инструментов до маникюрных пилочек.

Но есть цветные алмазы, которые встречаются очень редко и стоят поэтому дорого. Например, в Австралии есть месторождение желтых, где иногда попадаются красные. И красных алмазов чистой воды найдено, по данным эксперта, около 20 штук за все время, поэтому один карат такого камня стоит 30 миллионов долларов.

Из самых дорогих минералов России Сергеев назвал александриты, которые добывают на Среднем Урале. Они отличаются от других подобных камней меньшим количеством дефектов и включений, насыщенностью цветов, игрой света. Александриты меняют цвет при разном освещении, а названы они в честь императора России Александра II, в царствование которого их описали (открыли — раньше).

Беседы с другими исследователями читайте в проекте «Фонтанки» «Почемучка для взрослых: наивные вопросы о будущем — нашим ученым». Вместе с метеорологами, геологами, океанологами, астрономами мы отвечаем на вопросы наших читателей — и разбираемся в природе сложных явлений. А еще говорим об их изучении и последних научных открытиях.