Текст книги "Удивительная океанология"

Рельеф морского дна

Как известно, земная кора делится на два типа: регионы с тонкой (около 10 километров) корой – это океаны, и регионы с толстой (около 40 километров) корой – это континенты. Блоки земной коры плавают в более плотном материале мантии, и средняя высота их поверхности относительно уровня моря имеет два различных значения: континенты в среднем возвышаются на 840 метров, а дно океанов погружено на 3432 метра.

Объем воды в океанах превышает объем океанических бассейнов. Соответственно, часть воды распространяется (разливается) над опущенными частями континентов, образуя мелководные моря, которые принято называть континентальными шельфами.

Типичная глубина мелководных морей – 50–100 метров. Наиболее важными из них являются Восточно-Китайское море, Северное море, Берингово море, шельф Патагонии и Сибирский шельф. Мелководные моря помогают рассеиванию (диссипации) приливов, они отличаются высокой продуктивностью и входят в особую экономическую зону близлежащих стран.

Также известно, что земная кора разделена на большие плиты, которые движутся относительно друг друга. Относительное движение этих плит создает большое разнообразие элементов морского дна. Эти элементы включают в себя срединно-океанические хребты, глубоководные желоба, островные дуги, бассейны и подводные горы.

Названия элементов рельефа морского дна были определены специальной Международной гидрографической комиссией. Вот они:

– бассейн – это понижение морского дна более или менее выровненной формы и различной протяженности;

– каньон – это узкое глубокое (до 1000 м и более) понижение с крутыми склонами, имеющее V-образный поперечный профиль;

– континентальный шельф – это зона, смежная с континентом (или вокруг острова) и простирающаяся до глубины, которая обычно отмечена увеличением уклона в сторону больших глубин;

– континентальный склон – это уклон в сторону моря от границы шельфа к большим глубинам;

– равнина – это плоская, слабо покатая или близкая к равнинному часть морского дна;

– хребет – это вытянутое узкое поднятие морского дна с крутыми склонами и неравномерной (нерегулярной) топографией;

– подводная гора – это изолированное или относительно изолированное поднятие, возвышающееся на 1000 метров и более над дном океана, ограниченное вершиной;

– разлом – это нижняя часть хребта, отделяющая океанические бассейны друг от друга или от близлежащего морского дна;

– глубоководный желоб – это протяженное, узкое и глубокое понижение морского дна с относительно крутыми склонами.

Измерения глубин морей и океанов

Глубина моря и океана может быть измерена двумя способами: эхолокатором, установленным на корабле, или спутниковым альтиметром (высотомером).

Большинство карт морского дна создано на основе измерений, сделанных эхолокаторами. Принцип действия этих приборов таков: прибор посылает звуковой импульс частотой 10–30 кГц и принимает сигнал, отраженный от морского дна. Временной интервал между посылом импульса и приходом эха, умноженный на скорость звука, дает удвоенную глубину океана.

Первое комплексное эхолотирование было выполнено американским эскадренным миноносцем «Стюарт» в 1922 году, когда тот пересек Атлантику, Средиземное море и Индийский океан (он шел на Филиппины, чтобы войти в состав американского Азиатского флота). Теперь же океанографические и военные суда во время плавания практически непрерывно производят эхолотирование. Таким образом, создаются базы данных, на основе которых и составляются так называемые батиметрические карты. Распределение судовых маршрутов по поверхности морей и океанов неравномерно: в южном полушарии они пролегают довольно далеко друг от друга, а, например, в Северной Атлантике – довольно близко. Соответственно, неравномерна и точность батиметрических карт.

Карта глубин океана с разрешением 3 километра, созданная по данным спутниковых альтиметрических наблюдений поверхности моря

При измерении глубин эхолотированием могут иметь место ошибки. Дело в том, что скорость звука изменяется на ±4 % в разных районах Мирового океана. Используя таблицы средних скоростей звука, ошибку можно уменьшить до ±1 %. К тому же до недавних времен местоположение корабля определялось не очень точно, и ошибки могли составлять десятки километров. И главное – иногда скопления зоопланктона и косяки рыб дают такие отражения, что на батиметрических картах появляются ложные подводные горы.

Более точный метод – это современная спутниковая альтиметрия.

В космосе постоянно находится множество альтиметрических спутников; с их помощью создаются так называемые спутниковые альтиметрические карты океанского дна.

Основные элементы рельефа дна морей и океанов

На дне морей и океанов, как и на суше, есть горы, обширные равнины, ущелья и узкие глубоководные впадины всевозможных размеров. Для рельефа океанического дна характерно также большое количество одиночных гор среди вполне ровных пространств, что для суши нетипично.

Подводные горные системы, как и на суше, имеют линейную направленность, но большинство из них значительно превосходит горные системы континентов по протяженности, ширине и площади. Так, например, на дне Мирового океана расположена самая большая горная система земного шара – система так называемых Срединно-океанических хребтов, которая непрерывной широкой полосой простирается на 65–70 тысяч километров. Она пересекает Северный Ледовитый океан, проходит через Атлантический и Индийский океаны в их средней части и уходит через Тихий океан к берегам Калифорнии.

Наиболее высокие вершины подводных хребтов выступают над уровнем моря, образуя океанические острова преимущественно вулканического происхождения. Некоторые из них возвышаются над уровнем океана на тысячи метров. Например, на Гавайских островах гора Мауна-Кеа имеет высоту 4205 метров, а от подножия, то есть от дна океана, ее высота составляет более 9700 метров, что значительно выше высочайшей горы на планете Джомолунгмы (8846 метров).

В Мировом океане преобладают глубины от 3000 до 6000 метров (они занимают 76 % его площади или 54 % поверхности планеты). Высокие горы (более 4000 метров) и глубоководные океанические впадины (свыше 6000 метров) невелики по площади: горы занимают 0,5 %, а впадины около 1 % поверхности земного шара.

Колебания уровня океана могут значительно повлиять на изменение поверхности суши. Ученые подсчитали, что если уровень океана повысится на 200 метров, то он зальет примерно 1/3 суши, а при понижении его уровня на те же 200 метров поверхность океана уменьшится только на 12 %.

Наиболее глубоководным является Тихий океан. На его дне имеется много плосковершинных гор, а в южном полушарии с юго-запада на северо-восток (от Антарктиды до экватора) тянутся два хребта, образующие несколько обширных котловин. В северной части океана рельеф дна более сложен. Здесь три больших котловины (в одной из них – Северо-Восточной – находится ряд разломов), дно сильно расчленено, много подводных вулканов.

В Атлантическом океане рельеф дна изучен гораздо лучше, чем в других океанах. По форме океан напоминает латинскую букву «S». Любопытно, что эту же форму повторяет его срединный хребет, простирающийся с севера на юг от Исландии почти до самой Антарктиды. По обе стороны от хребта лежат зоны террас и предгорных холмов, а дальше – глубокие (от 4000 до 5000 метров) котловины.

А еще на дне Атлантического океана есть обширное плато.

Индийский океан разделен Центрально-Индийским хребтом на западную и восточную части. Поперечные хребты и поднятия дна расчленяют эти части на более мелкие котловины. У юго-западной оконечности Австралии находятся самые большие в Мировом океане уклоны дна материкового склона. В северо-западной части океана – множество коралловых рифов.

Рельеф дна мирового океана

Дно Северного Ледовитого океана отличается протяженными хребтами, разделяющими его на отдельные котловины. В центральной части океана расположены два хребта, носящие имена великих русских ученых М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. На материковом склоне есть подводные долины.

Рельеф дна океанов и морей постоянно изменяется. Дело в том, что волнения и течения размывают возвышенности, разрушают берега, сглаживают их очертания, переносят камни и песок в другие места побережья и в пониженные места океана, постепенно заполняя их. Под влиянием вулканических подводных извержений, землетрясений и других тектонических и гидрологических процессов на дне морей и океанов изменяются существующие и создаются новые формы рельефа – в виде различных поднятий или глубоких впадин, разломов, желобов, каньонов и т. д.

Континентальный шельф – это относительно мелководные (в основном до 200 метров глубиной) и выровненные участки дна морей и океанов, окаймляющие континенты. По сути, это затопленная морем часть материковой территории.

Общая площадь шельфов составляет примерно 32 миллиона квадратных километров.

Наиболее обширные шельфы расположены у северной окраины Евразии (ширина шельфа достигает 1500 километров), а также в Беринговом море, Гудзоновом заливе, Южно-Китайском море и у северного побережья Австралии.

В пределах шельфа добывают нефть, газ, серу, уголь, железные руды, золото, алмазы и другие полезные ископаемые. Более 90 % океанического лова рыбы также ведется в водах шельфов.

Согласно международной конвенции 1958 года, под континентальным шельфом понимается «поверхность и недра морского дна подводных районов, примыкающих к берегу, но находящихся вне зоны территориального моря до глубины 200 метров или за этим пределом, до такого места, до которого глубина покрывающих вод позволяет разработку естественных богатств этих районов, а также поверхность и недра подобных районов, примыкающих к берегам островов».

Основные глубоководные желоба

Проще говоря, внешней границей шельфа является изобата – линия, соединяющая глубины в 200 метров. А вот если на один и тот же континентальный шельф имеют право государства, берега которых расположены друг против друга, то граница шельфа определяется специальным соглашением между этими государствами. При отсутствии такого соглашения все решается по принципу равного отстояния от ближайших точек, от которых отмеряется ширина территориального моря.

В некоторых случаях споры о разграничении континентального шельфа рассматривались Международным судом ООН, который и определял границы шельфа.

Прибрежное государство вправе само определять трассы для прокладки кабелей и трубопроводов на шельфе, разрешать возводить установки и проводить бурильные работы, сооружать искусственные острова.

Что касается глубоководных желобов, то они представляют собой длинные узкие понижения дна океанов с глубинами свыше 5000 метров. Они располагаются в переходной зоне между материком и океаном. Эти прогибы дна с крутыми склонами и плоским узким днищем порой вытягиваются на несколько тысяч километров при ширине в несколько десятков километров.

В глубоководных желобах находятся самые глубокие точки Мирового океана (наибольшая глубина составляет 11 022 метра и находится в Марианском желобе Тихого океана). Эти желоба расположены с океанической стороны островных дуг (например, Алеутский, Курило-Камчатский, Филиппинский и др.), повторяя их изгиб.

У западных берегов Южной Америки глубоководные желоба (Перуанский и Чилийский) протянулись вдоль подводного подножия горных цепей материка. Их районы отличаются высокой сейсмичностью и проявлением вулканизма.

Подводные элементы рельефа оказывают большое влияние на циркуляцию океанов. Например, хребты в районе разломов (рифтовых долин) разделяют глубинные воды океанов на отдельные бассейны. При этом вода, находящаяся глубже разлома, не может перемещаться из одного бассейна в другой. Десятки тысяч изолированных подводных гор, разбросанных по дну Мирового океана, преграждают путь течениям и вызывают турбулентность, которая приводит к вертикальному перемешиванию вод.

Подводные вулканы

Вулканы, расположенные на дне океана, значительно превышают по своим размерам и мощности вулканы наземные и являются основным источником возникновения цунами на Земле.

Большинство современных вулканов расположено в пределах трех основных вулканических поясов: Тихоокеанского, Средиземноморско-Индонезийского и Атлантического.

Подводных вулканов на Земле намного больше, чем «сухопутных», – более трех миллионов против полутора тысяч.

В 2007 году океанографы Хиллиер и Уоттс провели изучение 201 055 подводных вулканов. В результате они пришли к заключению, что в мире должно существовать примерно 3 477 400 похожих подводных вулканов.

Безусловно, подводные вулканы изучены намного хуже из-за их труднодоступности.

Считается, что подводные вулканы производят в год более трех четвертей всей магмы, выбрасываемой из недр нашей планеты. А по некоторым оценкам, если на суше из 20–30 вулканических извержений ежегодно поступает в среднем до 1,5 кубических километров расплавленной магмы, то за это же время из подводных вулканов магмы извергается в 12–15 раз больше.

Большинство действующих подводных вулканов находится на стыке тектонических пластов в так называемых океанических хребтах. Эти хребты проходят глубоко под водой (примерно на глубине 3–4 километра), поэтому большинство извержений невозможно увидеть. Да и заметить произошедшее извержение с помощью акустических приборов часто не представляется возможным. Связано это с тем, что при выбросе магмы в холодную воду на больших глубинах она сразу же остывает и превращается в вулканическое стекло.

Извержение подводного вулкана

Однако подводные вулканы могут очень быстро расти в высоту. По мере извержения они обрастают вулканической массой, которая не разлетается по всей округе, как это происходит на земной поверхности. Со временем вулкан потухает, израсходовав запасы своей магмы. Если за время своей «жизни» вулкан достигает поверхности воды, то вулканический конус может выйти наружу, и таким образом появится новый остров. По существующим оценкам, большинство из 30 000 известных подводных гор являются такими потухшими вулканами. Типичный пример: вулканическим является остров Реюньон в Индийском океане, площадь которого составляет 2512 квадратных километров.

Многократные извержения сразу нескольких подводных вулканов создают цепочки вулканических островов, таких как Азорские, Канарские, Гавайские и др.

Новые подводные вулканы появляются постоянно. Например, в 2011 году рядом с Антарктикой была обнаружена гряда из десятка ранее неизвестных подводных вулканов, часть из которых до сих пор активна. Часть вершин этих вулканов находится на высоте трех километров над океанским дном, то есть совсем немного не достают до поверхности воды. А часть уже видна над поверхностью воды, и это выглядит как цепь островов.

Активные вулканы нагревают окружающую их воду и могут таким образом создавать благоприятные условия для обитания множества живых организмов. Кроме того, достоверно известно, что извержение подводного вулкана выбрасывает в воду органические соединения, необходимые для развития фитопланктона. Но главное – подводные вулканы снабжают фитопланктон соединениями железа, обязательными для фотосинтеза. Дело в том, что частицы железа требуются для большинства пищевых цепочек, и они очень редки в поверхностных водах. Прежде считалось, что попадают они туда в основном с водами рек, но американские ученые доказали, что большая часть железа, необходимого для фитопланктона, поступает на поверхность с самого дна.

Вулканический остров Реюньон в Индийском океане

В связи с тем, что вулканы дают жизнь океанской флоре, было выдвинуто предположение, что большая активность вулканов могла дать толчок к увеличению популяции морских животных и растений. Далее, при гибели и разложении такого количества живой массы якобы был поглощен весь растворенный в воде кислород, а это, в свою очередь, привело к вымиранию 70 % видов животных от удушья.

Понятно, что в этой гипотезе много спорных моментов. Во-первых, равномерное увеличение животной массы не может привести к переизбытку разлагающихся животных, так как их должны были бы уничтожить падальщики, в большом количестве обитающие на дне. Во-вторых, найденные доказательства вулканической активности только подтверждают, что она была, но вовсе не доказывают, что ее было достаточно для такого массового вымирания.

А вот еще одна версия ученых – подводные вулканы работают в качестве «тормоза» глобального потепления. Суть ее такова: подводные вулканы выступают «поставщиками» растворенного в воде железа, необходимого фитопланктону, а тот, в свою очередь, поглощает углекислый газ и сдерживает так называемый «парниковый эффект», являющийся результатом негативного воздействия человека на атмосферу. Утверждается, что моря и океаны поглощают примерно 5–15 % (в некоторых регионах до 30 %) всех выбросов CO₂, связанных с деятельностью человека.

По мнению ученых, вулканизм является если не единственным, то, во всяком случае, одним из главных создателей Мирового океана – колыбели жизни на Земле. За миллиарды лет ее существования вулканы вынесли на поверхность больше половины объема воды Мирового океана. Более того, подсчитано, что и сейчас в результате вулканической деятельности уровень Мирового океана ежегодно повышается на одну тысячную долю миллиметра.

Кроме того, подводные вулканы не только способствуют образованию цунами, но и влияют на формирование рельефа дна морей и океанов, а также на состав морской воды.

Гонка за подводными сокровищами

Как известно, более 50 % полезных ископаемых, известных в мире, имеют отношение к вулканогенно-осадочным отложениям. По мере истощения полезных ископаемых на суше все большее значение приобретает их добыча из морей и океанов: морское дно представляет собой огромную и еще почти не тронутую кладовую. Причем некоторые полезные ископаемые открыто лежат на поверхности морского дна, иногда почти у самого берега или на сравнительно небольшой глубине. Естественно, такие месторождения начинают разрабатывать в первую очередь.

По оценкам специалистов, мировые подводные запасы железомарганцевых руд составляют 1500 миллиардов тонн, что намного превосходит запасы всех ныне разрабатываемых рудников. Особенно велики залежи железомарганцевых руд в Тихом океане, где дно местами буквально устлано их конкрециями. Проблема заключается лишь в том, чтобы наладить глубоководную добычу.

В настоящее время лидерами в гонке за подводными полезными ископаемыми являются Россия и Китай. В частности, в 2011 году Китай получил одну из первых лицензий на поиск и добычу полезных ископаемых в подводных вулканах в Индийском океане. А ведь на дне можно найти не только железомарганцевые руды, но и золото, серебро, медь, цинк, свинец и т. д.

Еще в 2001 году Китайская ассоциация по разведке и добыче полезных ископаемых в океане подписала 15-летний контракт с Международным агентством по морскому дну – ISA (International Seabed Authority), следящим за добычей полезных ископаемых под водой в международных водах.

Агентство ISA, штаб-квартира которого находится на Ямайке, также выдало Китаю и России разрешения на разведку недавно обнаруженных полиметаллических сульфидов, которые находятся в районе подводных вулканов. Геологи уверены, что они содержат огромные количества металлов – до 110 миллионов тонн.

На сегодняшний день исследованы всего лишь примерно 5 % потенциальных мест залегания полиметаллических сульфидов, так что открытий будет еще очень и очень много.

Различаются три типа добычи подводных полезных ископаемых: мелководная (на глубинах до 10 метров), на шельфе (на глубинах не более 200 метров) и глубоководная (от 200 метров до предельных глубин). В первых двух глубинных зонах обычно добывают полиметаллические и железосодержащие пески, строительные материалы, сырье для химической промышленности, драгоценные камни и металлы, энергетическое сырье. В глубоководной же зоне перспективна добыча железомарганцевых конкреций, нефти, газа и суль фидов.

В настоящее время основным видом ценного подводного минерального сырья представляются железо-марганцевые конкреции. Их добыча в промышленных масштабах еще не ведется, но ученые уже давно думают о возможных способах извлечения подводных сокровищ с глубин до 6000 метров и даже более.

В июне 2012 года китайский глубоководный аппарат «Цзяолун» с экипажем из трех человек погрузился на 7015 метров, установив национальный рекорд. Испытания этого батискафа новейшей конструкции, названного в честь мифического морского дракона, проходили в районе Марианской впадины в Тихом океане. В будущем с помощью таких аппаратов Китай рассчитывает разведывать и осваивать месторождения полезных ископаемых на океанском дне. До этих пор возможностями вести глубоководные исследования подводного мира располагали только США, Россия, Япония, Франция и Великобритания.

Китайский глубоководный аппарат «Цзяолун»

Пока предлагаются два основных метода добычи: метод гидравлического землесоса, использующий всасывающую и подъемную силы потока воды в трубе, и метод ковшовой драги, движущейся по поверхности дна и механически сгребающей минералы.