стр. 26-28 Знание сила №1 1970 (Горячий источник загадок)
КЛУБ ЛЮБИТЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ФИЗИКИ
Мы открываем в нашем журнале клуб любителей самой обычной, как ее иногда пренебрежительно называют, школьной физики.
Увлекаясь сложными парадоксами теории относительности и квантовой механики, мы забываем иной раз о повседневной физике. А в ней столько же интересного и неожиданного. Не зря ни одни крупный ученый не чурается элементарных вопросов.
В нашем клубе вы встретите и любопытные задачи, и научные шутки и ответы на целый ряд вопросов о физике, с которой мы сталкиваемся на каждом шагу. И вы убедитесь, как не проста и отнюдь не элементарна эта «элементарная», школьная наука.
Открывает клуб старшин научный сотрудник Физического института АН СССР имени Лебедева, доктор физико-математических наук Борне Михайлович Болотовский.
Предоставляем ему слово.
1. Когда мы измеряем температуру нашего тела медицинским термометром, мы обычно держим этот термометр под мышкой в течение десяти минут. Потом вынимаем, смотрим на шкалу, определяем температуру. После чего мы встряхиваем термометр, и столбик ртути сразу же «уходит» в стеклянный баллончик.
Получается парадокс. Для нагревания ртути до температуры человеческого тела требуется десять минут. А для того, чтобы она вернулась на свое место, достаточно одной-двух минут. Ведь если бы ртуть не остыла, ее никаким встряхиванием нельзя было бы загнать в баллончик.
Почему ртуть долго нагревается и быстро остывает?
2. Если' вы разобрались в этой задаче, вам нетрудно будет решить н следующую. Известно, что некоторые вещества, растворяясь в воде, забирают при этом определенное количество тепла, то есть процесс растворения сопровождается охлаждением. К таким веществам относится, например, знакомый всем фотолюбителям гипосульфит — закрепитель. Возьмем две банки с равным количеством горячей воды. Температура воды в обеих банках одинакова. В одной из банок растворим обычную дозу гипосульфита. Через десять минут произведем эту же операцию со второй банкой, растворив в ней ровно такое же количество закрепителя.
В какой из банок температура будет выше и почему?
3. Третья задача уже не тепловая. Хоть столь же незамысловата. Катер на воздушной подушке покоится над поверхностью воды. Вода под ним прогибается. Определить объем этой водяной «ямы», если вес катера равен Р, а площадь «ямы» — S.
ЗАДАЧИ
Задачи, которые я вам буду предлагать, — не новые. В разное время разные люди задавали их мне, н я порой долго ломал над ними голову. Это отнюдь не значит, что задачи трудны для решения людям, далеким от физики. Совсем нет. Для иных они могут даже показаться легкими.
Задачи — качественные, чтобы их решить, как-правило, не потребуется знания сложных формул. Надо просто хорошо представлять саму физику процессов и уметь применять законы, с которыми каждого из вас когда-то познакомил школьный учитель. За это время они не устарели!
СКВАЖИНЫ КОТОРЫЕ НЕ НАДО БУРИТЬ
ГОРЯЧИЙ ИСТОЧНИК ЗАГАДОК
В Дагестане, как почти всюду в Предкавказье, - на большой глубине простираются мощные — до одного километра и более толщиной — пласты глины. Они откладывались на дне моря, которое было здесь довольно давно — примерно сорок миллионов лет назад.
Геологи-нефтяники и газовики считают это непроницаемые слои глины надежной покрышкой-преградой, что препятствует движению нефти, газа и подземных вод вверх, на поверхность Земли. И чтобы добыть здесь нефть или горячие целебные воды, приходится бурить скважины глубиной два-три километра, пронзая ямы насквозь глинистую «крышу». Однако - в том же Дагестане, иногда почти рядом с искусственными скважинами, есть целебные источники вполне естественного происхождения. Анализы неоспоримо доказывают, что горячая вода — глубинного происхождения, идет она с далеких от поверхности горизонтов. Идет без помощи скважин.
Вода пробивает слон глины толщиной более километра? Геологический парадокс. Этого не может- быть. Но ведь есть!
Конечно, заманчиво было бы объяснить появление этих источников простейшим способом: вода двигается по вертикальным трещинам — разрывам в пластах Земли. Но это объяснение тут же входит в противоречие с общепринятым мнением, что пластичные глины «залечивают», залепляют возникающие время от времени разломы. Так как же все-таки быть с действующими источниками? Они существуют — это факт, который невозможно оставить без внимания.
Счастливая случайность помогла получить ответ на эту геологическую загадку, которая занимала меня уже несколько лет.
Суждено было экскаватору прорыть канаву длиной около километра для сброса воды из озера Аджи к Каспийскому морю, а геологи- разведчики прошли по каналу и натолкнулись на новый источник горячих сероводородных вод.
Посетить «новоявленный» источник пригласил нас кандидат геолого-минералогических наук С. Каспаровых, гидрогеолог Махачкалинского геологического института. Предложил свои услуги — быть нашим проводником.
Когда мы достигли цели — озера Аджи, уже спускались сумерки. В южном Дагестане день гаснет быстро, ведь рядом, высятся предгорья Большого Кавказа. Но мы решили осмотреть канал сию минуту, очень уж было велико наше нетерпение. Почти бегом пускаемся по каналу вниз, к морю. Канал постепенно расширяется, в нос ударяет запах сероводорода.
Каспаровых сказал:
— Источник здесь!
Сумерки сгущаются. Решаю на ощупь знакомиться с обнаженными коренными породами на дне. Ощупываю пальцами выступы породы. Они, словно метровые клыки, торчат из земли. Бью их молотком. Пробую куски породы на язык, на зубах скрипит. Сомнений нет — эти выступы состоят из песчаника, крепко сцементированного солями. Значит, вот он, путь для горячей воды, — по порам песчаника? И глина за 30—40 миллионов лет не сумела залепить этот канал? Опять сомнения — как понять, что среди пологих слоев глины песчаники торчат вверх, а не залегают тоже пластами? Действительно, геологи знают только горизонтальные или пологие слои песчаника. Но вертикальные? Круглые? Никогда. Решаем окончательное обсуждение всех вопросов перенести на завтра.
КЛЮЧ ОТ ГОРЯЧИХ КЛЮЧЕЙ
Утро. На кромке канала сидит пастух в большой бараньей шапке. Вблизи — отара овец. Пастух пристально смотрит на бурлящий под ним ключ воды. По-видимому, для него этот источник тоже необычен. Ведь чаще всего источники Дагестана пресные, а тут н овцы не хотят пить: вода какая-то тухлая, горячая. Пастух спустился к источнику, ополоснул руки и пошел к стаду. Большие овчарки озабоченно сопровождали его.
Канал в этом месте выглядел весьма своеобразно. Опытный взгляд сразу определял, что вместе с попыткой углубить экскаватором его дно, стенки выемки оползали. Рабочие, по- видимому, укрепляли дно канала, делали в нем узкую траншею, обшивая ее досками, но безуспешно. Оплывающая масса породы ломала обшивку.
В сложной мешанине досок, балок, столбов и оплывшей массы земли торчали, возвышаясь над ними где на метр, а где и больше — до двух метров, выступы песчаника. Картина, увиденная нами, хорошо вышла и на фотографии.
Да. песчаник не лежит горизонтально, как все слон пород, залегающие вокруг, а торчит вертикально — «клыками». Это результат действия солнца, воздуха и воды в далеком прошлом и совсем недавно. Клыки, или, скорее, окаменевшие струи. Из них или рядом с ними бурлили многочисленные струн сероводородной воды. Местами вода вскипала от поднимающихся снизу пузырьков газа, местами они побулькивали спокойно и медленно. В. одних ключах вода прозрачна, в других — молочного цвета.
Под увеличительным стеклом видно, что все тело крепко сцементированного кварцевого песчаника пронизано мелкими, чаще всего вертикальными каналами извилистой формы. По ним, несомненно, и двигалась вода. А местами твердый песчаник образует даже как бы стенки округлых труб, уходящих вниз и, видимо, глубоко. Диаметр овальных стволов полметра — два метра.
Надо выяснить главное — как все же подземные термальные воды сумели по песчаным «трубам» пробраться вверх? И вообще: эти клыки — устье глубоких труб или нечто совсем другое? Наконец, как глубоки трубы?
Ясным становится и то, что сейчас мы видим сверху только разрез части песчаного тела, узкую полосу, а какова его настоящая ширина и длина — без бурения и без шурфов, — сказать трудно. Лишь очень приблизительно длину песчаного тела мы определили в 100—150 метров. Это и был «диаметр» всего столба, уходящего куда-то вглубь.
Ну, а когда по соседству — в нескольких километрах отсюда — стали бурить разведочные скважины, геологическая картина начала проясняться еще больше. Выходило, что «столб» опускается круто, почти вертикально, на глубину не меньше чем два километра. Там он и встречает горизонты с горячими сероводородными водами. Химический анализ воды доказывал ее глубинную родословную. Столб, или уж скорее скважина, была, значит, открыта для движения жидкости.
Вообще гидрогеологи хорошо изучили водоносные горизонты южного Дагестана. Они уверенно различают воды, полученные из горизонтов, залегающих над слоями древних глин или под ними. Состав этих вод различен, и ошибиться очень трудно.
ПО МАРШРУТУ: ОЗЕРО АДЖИ — МОРЕ ТЕТИС
Тетис была дочерью Урана и Геи, то есть Земли и Неба, супругой и одновременно сестрой Океана, матерью трех тысяч Океаннд и всех рек. И, несомненно, прапра... прабабушкой вод озера Аджи, возле которого мы нашли удивительный источник. Дело в том, что примерно сто пятьдесят миллионов лет назад под волнами моря Тетис находилось все Средиземноморье, Кавказ, в том числе и Дагестан, Средняя Азия н Гималаи. Слон за слоем ложились на дно моря осадки—обломки разных горных пород, песок и глина, известковые вещества.
А затем уже только тридцать пять — сорок миллионов лет назад произошло вздымание большей части нынешнего горного Дагестана. Одновременно поднимались к солнцу области Большого Кавказа. Вдоль горных сооружений образовался прогиб, желоб. В нем и стала накапливаться глина с прослойками песка. Богиня Тетис покинула Дагестан, схлынули и воды ее моря.
И наконец — уж совсем недавно, тринадцать-шестнадцать миллионов лет назад, — опять переломный момент в истории геологического развития. Опять началось движение вверх и смятие горных пород. Породы не выдерживали натиска тектонических сил и рвались. Разрывы шли вдоль всей складки. Поджимаемые огромным давлением надвигающихся друг на друга складок, вода и нефть устремлялись в полости разлома и бурно прорывались на земную поверхность.
Но вот что самое для нас интересное и к чему я веду рассказ — жидкость двигалась вверх лишь местами, лишь в наиболее зияющих полостях разрыва. Получался как бы ряд гигантских колодцев. Именно в них и формировались трубообразные каналы — скважины. Если жидкости несли с собой обилие кварцевых песчинок, то с прекращением первоначального бурного движения они становились исходным материалом, из которого и получалось песчаное тело внутри канала. Соли подземных вод, при изменении температуры и давления, выпадали из раствора и частично цементировали песчаную массу. Но внутри этих труб, несомненно, продолжалось медленное, спокойное движение подземных вод по порам между песчинками. Более поздние осадки прикрыли устье скважин, захоронили источник, но он продолжал существовать «подпольно».
Одновременно песчаное тело канала-скважины не позволяло глине «залечивать» отверстие в ее толще, не давало сомкнуться стенкам полости. Природа создала хитроумную систему — трубу с массой мелких трубок внутри. Эта песчаная труба выполняла роль обсадной колонны, которую употребляют при бурении скважин для укрепления ее стенок.
Так объяснили мы геологический парадокс, нашли разгадку всех загадок дагестанского источника. Это было весьма важное наблюдение. Теперь архивы геологических экспедиций должны были доказать, что природная скважина вблизи озера Аджи вовсе не курьез, не единичная игра природы, а явление широко распространенное, но просто оставшееся в тени, не обращавшее на себя внимание.
СКОЛЬКО ТАКИХ СКВАЖИН?
У побережья Апшероиского полуострова есть остров Артема. На нем в 1922 году геолог Н. Леднев нашел торчащие из земли, сросшиеся столбы песчаника. Осмотрев верхнюю часть столбов, Леднев обнаружил трубы диаметром до полуметра. Стенки труб были плотно сцементированы пиритом, а внутри них — песок, пропитанный нефтью.
На другой стороне Каспия, на горе Кара- Бурун, мы нашли окаменевшие струн кварцевого песчаника. Они, как и в Дагестане, торчали клыками, заполняя собой устье овального канала.
Вертикальные трубы кварцевого песчаника, крепко сцементированного гидроокислами железа, обнаружили и в Северном Приаралье. На ровной пустынной поверхности возвышались скалы, местами и впрямь похожие на чугунные трубы.
Описание подобных трубчатых песчаников мы нашли у многих геологов, побывавших в самых разных районах страны. Вертикальные или почти вертикальные природные скважины разбросаны на обширной территории Советского Союза. Сколько их? Трудно сказать даже приблизительно, во всяком случае — многие тысячи. Они будут найдены, если поиски их начнутся планомерно и со знанием дела.
Природные скважины при правильной их эксплуатации могут давать вечные, количественно постоянные потоки подземных жидкостей. Причем с глубины 10—12 километров, которая на данном уровне техники считается почти недосягаемой.
Из природных (и даровых!) скважин можно получать газ, горячую воду, растворы ценных минералов, пресную или почти пресную воду для водопоя животных, рассолы.
На Всесоюзной палео-гидрогеологической конференции, на Всесоюзной конференции по генезису нефти и газа идея «естественных труб» обсуждалась, получила одобрение.
А как осваивать природные скважины, как технически запустить их в дело?
Грубо говоря, надо заткнуть огромной пробкой устье природной скважины, и затем жидкость из-под этой пробки по одной небольшой в диаметре трубе пойдет сама. Осуществить такую хирургическо-геологическую операцию можно так. В теле песчаника пробурить скважину, заложить в нее взрывчатку. Взорвать. В зону раздробленной породы закачать цемент. Получится цементная пробка, которая и запечатает природную скважину. Глубже «пробки» и рядом с ней пробурить уже эксплуатационную, постоянную скважину, которая и начнет забирать всю жидкость, что поднимается по природному каналу.
Затраты времени и средств на такую работу не сравнимы с затратами на бурение глубоких и сверхглубоких скважин.