Взгляд со стороны геологии и геофизики

Изучение морской геологии началось совсем недавно, но эта «молодая» наука имеет дело с вещами весьма древними. Геологи всегда интуитивно понимали, что океаническое дно и материки в геологическом смысле как-то связаны между собой. Но, имея очень мало надежных данных о ложе океана и находясь перед необходимостью получить объяснение очень многих континентальных структур и процессов, они сосредоточивали свои усилия на геологии суши. Большие успехи были достигнуты в XIX в. благодаря Ч. Лайелю, который систематизировал геологию, превратив ее в современную науку, и Ч. Дарвину, который объединил новые знания о «геологическом» времени со своей теорией процесса естественного отбора как основы происхождения видов. Однако глобальные геологические обобщения никак не приходили. В океанографических экспедициях «Челленджера» геологи не участвовали, и хотя некоторое число образцов материала океанического дна было собрано, геология его оставалась в общем неизученной. Наука о Земле ожидала своего часа с нетерпением, подогреваемым новыми перспективами в зоологии, открывшимися благодаря сбору коллекций дотоле неизвестных морских видов. Не интересовались геологи и топографическим изучением морского дна, ставшим возможным после первых промеров. Первые данные о подводных каньонах (см. рис. 5.2) были получены уже в 1903 г., но геологическая общественность в целом не воспринимала их как важные открытия вплоть до того момента — уже после первой мировой войны, — когда были изобретены эхолоты, бесспорно доказавшие существование каньонов. Значительным шагом в этой области стала публикация Б.К. Хейзеном и его коллегами (например, [6]) физиографических карт Атлантического океана и других океанических бассейнов (см. рис. 4.1).

Морская геология в силу самой своей природы основывается на сборе образцов горных пород и осадков. В отличие от наземной геологии, где все изучаемое пространство можно охватить одним взглядом, сбор данных на ранних этапах морской геологии производился почти вслепую. Систематические рейсы, посвященные сбору образцов со дна океанических бассейнов, начались только в 1930-х годах. По результатам первых таких работ были составлены карты типов осадков морского дна (см. рис. 5.11) и началось составление морфологических карт отдельных участков дна.



Сегодня морская геология стала менее изолированной дисциплиной и все больше взаимодействует с геохимией и геофизикой. Главная причина развития такого взаимодействия состоит в разработке за последние два десятилетия теорий разрастания («спрединга») морского дна и тектоники плит; обе эти теории выросли из более ранних гипотез о дрейфе материков. На схеме рис. 3.10 перечислены крупные проблемы морской геологии и геофизики, успешно решаемые сегодня.

Области исследований.Морфология океанических бассейнов. Изучение проводится в традиционном стиле описания «формы» бассейнов. Читатель должен иметь в виду, что огромные площади океанического дна все еще не затронуты никаким видом наблюдений. То малое, что мы знаем о форме океанических бассейнов, нам дали записи прецизионных эхолотов, собранные в различных научных экспедициях. И вот теперь многие из крупнейших форм рельефа — протяженные желоба, обширные абиссальные равнины и такие необычные структуры, как срединно-океанические хребты, — нанесены на карту.

Плитотектоническая революция. Несомненно, одним из сильнейших потрясений современной науки было утверждение, что кора нашей планеты движется по ее поверхности в виде серии жестких «плит». Эти плиты ударяются друг о друга, скользят относительно соседних, проскальзывают одна под другой или одна над другой — и весь этот непрерывный процесс мы теперь называем «тектоникой плит». Анализируя эти процессы, мы узнали, что материал океанического дна отличается от материала, слагающего материки: «океаническая» кора тяжелее, поэтому она глубже погружается в пластичную мантию Земли и образует депрессии, которые опоясаны континентальным материалом и заняты сейчас океанами.

Таким образом, многие темы, обозначенные на рис. 3.10 как крупные проблемы современного изучения океанов, связаны с этой революцией в глобальной геологии. Предмет изучения громаден; литература уже весьма объемна. Новые знания, добываемые почти ежедневно, расширяют влияние морской геологии на другие науки. Никакой вопрос океанологии сегодня нельзя изучать, не затрагивая в той или иной мере тектонику плит. В нашей книге эти вопросы освещаются в общих чертах в гл. 4, а интересующийся читатель найдет более подробное их изложение в гл. 21.

Прибрежные процессы осадконакопления и эрозии. В целом осадки континентальных окраин в настоящее время изучаются наиболее интенсивно по нескольким причинам. Потребность разрабатывать нефтяные и газовые ресурсы этих районов диктует необходимость обширного исследования процессов прибрежного осадконакопления, скоростей этих процессов и, что не менее важно, стратиграфии консолидированных осадков. Геофизики стремятся изучить строение толщи захороненных под морским дном осадочных пород, используя для этого мощные точечные источники звуковых волн, располагаемые у поверхности, и регистрируя с помощью чувствительных приемников волны, приходящие от различных слоев геологического разреза морского дна. Распространены методы отраженных и преломленных сейсмических волн. Морские геологи анализируют образцы керна скважин, пробуренных через слоистые отложения, чтобы детально изучить строение разреза по ископаемым органическим остаткам и классифицировать слои по возрасту, пористости пород и другим признакам, полезным для определения запасов углеводородов.

Вторая причина изучения морскими геологами континентальных окраин — деятельность людей, плотно населяющих побережье. Портовые сооружения постоянно испытывают воздействие песков, перемещающихся вдоль береговой линии, и во многих портах и морских каналах песок, непосредственно поступающий из рек или движущийся вдоль литорали, регулярно вычерпывается. Волновая энергия, высвобождающаяся в результате диссипации у берегов, размывает пляжи и создает новые отмели и песчаные косы. Исследования по береговой геологии включают также описание реликтовых пляжей, указывающих, где проходила древняя береговая линия. Прибрежная зона океанов — удобное для изучения место скопления обломочного материала. Исследование размеров частиц осадочного материала помогает проанализировать «сортирующую» работу волн и течений. Прибрежные течения обязательно надо учитывать, принимая решение о том, где производить захоронение мусора и промышленных отходов.

Осадки океанических бассейнов. Расположение осадков разного типа в глубинах океанов показано на картах (см. рис. 5.11). Значительную часть морского дна покрывают терригенные осадки, образующиеся в результате размыва суши. Как правило, эти глубоководные илы занимают самые глубокие части океанических бассейнов. Механизмами переноса осадков здесь служат мутьевые (турбидные) потоки, описываемые в гл. 5, и преобладающие западные ветры, уносящие терригенную пыль далеко в море. Ледники, сползающие в море, часто несут на себе солидный груз терригенного материала. Айсберги, откалываясь от ледников и уходя в морское плавание, рассеивают этот материал по обширным пространствам.

Большая часть океанического дна покрыта осадками, образованными из раковин растений, и животных. Эти осадки называются биогенными. «Диатомовые» осадки образовались из кремнеземных панцирей диатомовых водорослей и простейших, называемых радиоляриями (см. гл. 15). Нам известно, что диатомеи, как правило, являются доминирующими типами растений в более холодных и богатых питательными веществами водах; соответственно диатомовые осадки преобладают в высоких широтах Антарктики и в северной части Тихого океана. В океанах более умеренных широт доминируют биогенные осадки, состоящие из окаменелостей отряда фораминифер (гл. 15). Эти животные строят раковины из карбоната кальция. Вспомним, однако, что СаСО3 растворяется в очень глубоких частях океанов (глубже 4500 м), и это объясняет, почему большая часть дна бассейнов на рис. 5.11 покрыта глубоководными илами даже в умеренных широтах, где в менее глубоких водах образуется большое количество раковин фораминифер.

В последние годы геологи разработали методы извлечения длинных кернов из осадков морского дна. В результате исследований по программе JOIDES были получены образцы осадков из всех океанических бассейнов — примерно в тех же местах, где геохимики уже исследовали столб воды над дном. Но если геохимия воды очень мало говорит об истории океана, то данные бурения приносят важные исторические сведения. Мы можем читать «книгу» слоистых осадков как исторический атлас. Как показано на рис. 3.10, исследования происхождения и расслоения морских осадков дают материал, позволяющий делать выводы о палеоклиматах, характере поведения древних морских организмов и даже о таких событиях, как древние вулканические извержения. Например, геологи обнаружили, что одни виды животных, в частности Globigerina pachiderma, строят спиральные раковины, «закрученные влево» в теплых поверхностных водах, но в более холодных водах они закручены в обратную сторону. Подсчитывая относительное содержание окаменелостей обеих форм в последовательности осадочных слоев, обнаруженных в поднятом с морского дна керне, геологи могут реконструировать температуры поверхностных вод океана в прошедшие геологические эпохи.

Экономически важные осадки. В последнее время морская геология буквально наводнилась исследованиями, связанными с эффектами разрастания морского дна. Интенсивно изучаются геотермические реакции, в ходе которых морская вода взаимодействует в зонах активных срединно-океанических хребтов с поднимающейся магмой (см. гл. 19 и 21). В этих районах найдены богатые залежи сульфидов полиметаллов. В 1982 г. была принята Конвенция по морскому праву, которая передает экономический контроль над прибрежными зонами прибрежным государствам. Эта конвенция подтолкнула многие страны к ускорению разведки твердых минеральных и нефтяных ресурсов своих континентальных окраин.

Среди других осадков, имеющих экономическое значение, — марганцевые стяжения (конкреции) и фосфоритные залежи. Оба вида этих гидрогенных осадков образовались путем осаждения из раствора морской воды. Марганцевые конкреции обогащены марганцем, никелем, железом и медью и встречаются в виде наростов вокруг какого-либо ядра (часто это зубы акул или ушные кости китов). Конкреции достигают размеров в несколько сантиметров. В некоторых районах, особенно в центральной части Тихого океана, эти конкреции встречаются так часто, что их можно рассматривать как потенциальные минеральные ресурсы. Фосфориты откладываются на мелководье, также путем выпадения из раствора. Их наросты имеют неправильную форму, но встречаются в достаточном количестве, чтобы считать их ценными минеральными ресурсами (фосфор — необходимая часть удобрений для сельского хозяйства). В более теплых тропических водах карбонат кальция может выпадать в осадок, образуя белые песчаные пляжи островов, располагающихся на мелководьях — таких, например, как острова Флорида-Кис.

Скорости осадконакопления. Важная задача геологической океанологии — измерение скорости накопления осадков. Толщина слоя песков и алевритов на шельфах увеличивается более чем на 10 см за 1000 лет. В некоторых окраинных морях, таких как Калифорнийский залив (куда впадает река Колорадо), мощность осадков возрастает со скоростью до 1 м в 1000 лет. В глубоких океанических бассейнах скорость накопления осадков составляет примерно 1 см в 1000 лет, но накопление терригенных илов и глин в океанах происходит вдесятеро медленнее.

Сбор данных.Принцип работы геолога-океанолога прост и очевиден: отбирать образцы пород океанического дна. Но выполнение такой работы требует громадных усилий. Вначале отбор образцов проводился дночерпателем — чердачным пробоотборником, который просто бросали на дно. Хотя такая операция осуществляется быстро, этот инструмент не защищает образец от воздействия воды во время подъема его на палубу корабля. Он все еще используется для быстрых предварительных съемок. Более совершенный инструмент, называемый коробчатым пробоотборником (рис. 3.11), доставляет исследователям защищенный образец донного материала; с его помощью геологи могут изучать слоистость образца осадка, а также распределение в нем роющих организмов.

Для извлечения образцов с больших глубин используется поршневая грунтовая трубка. Этот инструмент опускается на выбранный участок дна, где происходит освобождение тяжелой трубы, которая вдавливается в грунт еще на некоторое расстояние. Сама проба грунта остается внутри пластмассовой трубки; там, где грунт позволяет, удается извлекать керны длиной до 20 м. Для получения кернов с еще больших глубин используется модифицированная нефтяная буровая установка. Самая знаменитая из таких установок — буровое судно «Гломар-Челленджер», выполняющее программу глубоководного бурения JOIDES. Смонтированная на этом корабле буровая установка позволяет при 4-км глубине моря получать керн длиной до 1000 м.

Очень полезным средством геологического изучения поверхности морского дна стала подводная фотография. На снимках часто можно увидеть знаки ряби на осадке, образующиеся под действием придонных течений. Видны также следы деятельности роющих животных. Фотография — основной метод поисков залежей марганцевых конкреций.

С изобретением автономных погружаемых аппаратов с человеком на борту геологи могут теперь и сами опускаться со своими пробоотборниками на очень большую глубину. Оператор может рассматривать дно, отбирать образцы непосредственно наблюдаемых пород, а также фотографировать их in situ.

Заключение.В этой главе преследовались две цели: во-первых, кратко описать, как специалисты в каждой из основных научных дисциплин выделили свои собственные сферы интересов, и, во-вторых, указать, когда и где их совместная деятельность может внести вклад в общий прогресс понимания сложных процессов океана. Для иллюстрации проблем каждой из дисциплин здесь использовано одно и то же схематическое изображение «взрезанного» земного шара, и читатели сами могут найти ряд областей, тем или процессов, общих для двух или более дисциплин. В пяти приводимых ниже примерах диалог между учеными разных специальностей не только возможен, но и просто необходим для решения задач.

1. Моделирование океана как двухслойной системы. Рано или поздно каждый океанолог начинает понимать, что океан необходимо рассматривать как совокупность двух слоев: теплого тонкого поверхностного слоя, на который воздействуют солнечные лучи и ветер, и глубинного толстого слоя холодной воды. Физики применяют эту модель при описании циркуляции. Но теоретические представления о циркуляции должны согласоваться с распределением живых организмов (биология), а также с картиной размещения донных осадков, залегание которых в свою очередь определяется циркуляцией (геология); они должны соответствовать и распределению «возраста воды» (по химическим данным).

2. Важная для всех тема тепломассопереноса через границу воздух — море. Многие характеристики обширных пространств океана определяются процессами, в которых вещество или энергия передаются через границу воздух — море. Химики изучают газовый обмен, включая играющий ключевую роль углекислый газ. Последний дает углерод, необходимый для органической жизни (биология), а также карбонатные ионы, из которых биота строит раковины, состоящие из СаС03 и Si02 и опускающиеся на дно, где они превращаются в осадочные породы (геология). Для всех научных дисциплин необходима модель теплового баланса океана, включающая солнечный нагрев и испарение (физика).

3. История осадков. Исследование осадков дает самые важные исторические сведения о нашей планете для последних 200 млн. лет. Осадки древнего морского ложа, ныне обнажающиеся на материках, удлиняют эту историю еще дальше в прошлое (геология). Геохимики строят модели древних климатов, а биологи используют их для объяснения палеонтологических данных об эволюции и вымирании живых организмов. Осадки — главные «экономические» ресурсы океанов потенциально высокой стоимости.

4. Процессы в пограничной зоне между сушей и океаном. Люди всегда стремились жить у берега океана, привлекаемые его ресурсами и возможностью передвигаться по воде. Реки вливаются в моря, принося с собой воды и различные материалы. Морская жизнь особенно обильна на мелководном шельфе. Здесь исследования по всем дисциплинам дополняют и подкрепляют друг друга: приливы, волны и циркуляция водных масс (физика) контролируют дисперсию питательных веществ и икринок (химия и биология) и дают энергию, приводящую в действие процессы эрозии и осадконакопления (геология).

5. Исследование глубоководных гидротермальных источников. Геологи и геохимики выясняют химизм горячих источников, расположенных на морском дне, а биологи разрабатывают модели системы поддержания жизни, действующей на этой химической основе.






Дата добавления: 2019-05-06; просмотров: 144;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.014 сек.