Сейсмичность и вулканизм в мировом океане

В распространении и некоторых особенностях проявления землетрясений и вулканизма в пределах морей и океанов наблюдается определенная специфика, анализ которой позволяет выявить дополнительно значительные различия между планетарными морфоструктурами дна Мирового океана. Землетрясения, как известно, представляют собой результат мгновенного выделения механической энергии в толще земной коры или в подкоровой области, следствие возникающих в них огромных напряжений. При взрывоподобной разрядке напряжений из центра возникновения землетрясения – фокуса (очага) или гипоцентра – распространяются упругие волны, в принципе подобные тем, которые возникают при сейсморазведке. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром землетрясения.

Издавна замечено, что эпицентры землетрясений на земной поверхности располагаются не беспорядочно, а группируются в определенные зоны или пояса, которые получили наименование сейсмических поясов. В пределах этих поясов землетрясения не только наиболее часты, но и наиболее разрушительны.

На Земле можно выделить три сейсмических пояса (рис.). Первый, крупнейший по своей протяженности, образует почти замкнутое кольцо, охватывает окраины Тихого океана и пространственно полностью совпадает с переходной зоной. Второй пояс сложно разветвлен и географически соответствует системе срединно-океанических хребтов. Третий – охватывает Средиземноморье, горы Южной Азии и сливается с первым в области Индонезийских морей и архипелагов. Таким образом, особенности распространения сейсмических поясов на поверхности Земли еще раз подчеркивают высокую подвижность земной коры в пределах наиболее динамичных структур дна Мирового океана – переходных зон и срединно-океанических хребтов. Вне их на материковых платформах (за некоторыми исключениями) и ложе океана землетрясения случаются крайне редко и не приобретают разрушительной силы.

Изучение напряжений, возникающих при землетрясениях в окраинной зоне Тихого океана, показало, что примерно 75% землетрясений здесь связано с горизонтальными подвижками по разломам. Главные горизонтальные напряжения на большей части периферии Тихого океана направлены по нормали к простираниям основных морфоструктур переходных зон. Исключение составляют Северная и Центральная Америка, а также южная часть Южной Америки, где эти напряжения обнаруживают приблизительную параллельность морфоструктурам.

Расположение фокусов землетрясений под геосинклинальными областями подчинено определенным закономерностям. Оно определяется системой зон повышенной неустойчивости земной коры и мантии, наклоненных в сторону материков и пронизывающих земные недра до глубин порядка 700 – 750. Эти зоны получили название зон. В типичном случае они уходят в глубь Земли примерно под углом.60°.

Под срединно-океаническими структурами, судя по неглубокому залеганию очагов землетрясений, плоскости разломов могут быть прослежены лишь на небольшую глубину (первые десятки километров). По всей вероятности, разломы должны иметь встречный наклон плоскостей или вертикальное заложение. Эпицентры землетрясений здесь имеют тенденцию группироваться на участках пересечений рифтовой зоны с поперечными разломами и вдоль разломов. Сходная картина отмечается и в переходных зонах: большая часть их сосредоточена там, где глубоководные желоба и островные дуги секут поперечные разломы.

Во время землетрясений нередко происходят мгновенные и весьма значительные изменения рельефа дна и берегов. Каждое землетрясение в океане или на его побережье вызывает образование огромных волн – так называемых цунами. Высота их достигает 30 м, скорость распространения – 400 – 800 км/ч. Цунами способны взмучивать донные осадки на глубинах до 1000 м. Они энергично воздействуют на берега и подводные береговые склоны, при сильных землетрясениях могут вызывать катастрофические разрушения прибрежных сооружений и населенных пунктов.

Вулканизм в Мировом океане. В распространении действующих вулканов наблюдается большое сходство с распространением эпицентров землетрясений. Из действующих вулканов (как подводных, так и надводных) в пределах ложа океана можно назвать такие, как вулканы Гавайских островов, островов Самоа, Питон-Фурнез на острове Реюньон. Можно полагать, что подводные извержения довольно часто происходят в районе острова Пасхи, где в современных осадках встречено много обломков свежих лав и туфов. В Индийском океане плато Крозе и Принца Эдуарда, банки Обь и Лена, пространства в осевой зоне Австрало-Антарктического хребта заняты покровами лав или покрыты вулканогенными осадками.

Вулканизм имеет огромное значение для формирования рельефа дна Мирового океана. Островные дуги, гигантские океанические вулканические цепи, многие хребты и вершины срединно-океаннческих хребтов, одиночные подводные горы ложа океанов – все это формы, обязанные своим происхождением вулканизму. Можно предполагать, что в ряде районов дна океана кроме обычного вулканизма центрального типа происходят и извержения трещинного типа. На суше такие извержения имели значительное распространение в неогене. В четвертичное время они отмечены в Исландии.

При вулканических извержениях быстро и эффективно изменяется подводный рельеф, внезапно появляются и исчезают новые острова в океане. И. В. Лучицкий считает, что присутствие кислых пород на дне океана может указывать либо на погружение отдельных блоков материковой коры, либо на «латеральную изменчивость состава мантии». Второе предположение нам кажется гораздо более вероятным, так как в случае погружения континентальных блоков мы должны были бы в указанных районах встретиться и со значительным увеличением мощности земной коры, что в действительности не наблюдается.

Экзогенные гравитационные и гидрогенные процессы

Сезонные изменения плотности, солености, температуры, солевого состава воды происходят лишь в самом верхнем слое и не отражаются на геологических процессах на подавляющей части площади дна Мирового океана. В придонных слоях воды и от места к месту эти характеристики изменяются также в узких пределах. Например, на глубинах более 3 км разница в средних температурах придонных вод в антарктической области и в экваториальном поясе составляет лишь 2 – 3° С. В незначительных, пределах изменяются по меридиональному разрезу плотность и соленость придонных вод.

В целом эти общие положения, казалось бы, должны указывать на второстепенное значение экзогенных процессов в формировании рельефа дна Мирового океана. Однако появляется все больше данных, свидетельствующих о значительной деятельности экзогенных факторов на дне океана, причем не только в прибрежной зоне, где огромная преобразующая роль таких факторов, как волны и течения, не вызывала сомнений, но и на больших глубинах.

Экзогенные геологические факторы, действующие в океане, разделяют на гидрогенные, гравитационные и биогенные. К гидрогенным факторам относятся: различные виды движения морских вод – ветровое волнение и производные от него волны зыби и прибойный поток, цунами, приливоотливные движения воды, течения, сопровождающие ветровое волнение и приливоотливные колебания; постоянные или квазистационарные течения поверхностной циркуляции вод; внутренние волны, вертикальная циркуляция (перемешивание) морских вод; различные придонные течения. Все они являются предметом изучения динамической океанологии, и мы ограничимся лишь оценкой их возможности производить геологическую работу на морском дне.

Гравитационные процессы. Каждый гидрогенный процесс в тон или иной степени протекает с участием силы тяжести. На дне Мирового океана довольно четко выделяется группа процессов, где сила тяжести является главным фактором движения минеральных частиц и вмещающих или пропитывающих и окружающих их масс воды. Эти процессы обычно называют гравитационными. В гидрогенных процессах обломочный (минеральный) материал всегда играет пассивную роль (Лонгинов, 1973). К гравитационным факторам относятся суспензионные или мутьевые потоки и подводные оползни (рис. 16), а также массовое медленное перемещение толщи наносов – крип – в направлении уклона дна. Одна из разновидностей крипа – «течение» песка, сопровождающееся «пескопадами», подобными наблюдавшимся при обследовании подводных каньонов у Калифорнийского побережья.

Подводные оползни могут быть структурными (движение цельных блоков осадков без существенных нарушений внутренней структуры блока) и пластичными (движение блока, или пакета отложений, постепенно переходящее в пластическое течение составляющего его материала с «внутренним взаимодействием частиц», аналогичное лавинам или грязе-каменным потокам).

Начало мутьевым потокам дают реки, выносящие огромное количество мелкоземного материала в прибрежную зону моря, подводные оползни, которые могут быть спровоцированы землетрясениями или же возникнуть самопроизвольно при накоплении очень крупных масс осадков на склонах, не соответствующих по крутизне условиям устойчивого равновесия. При движении оползня вниз по склону осадки разжижаются и оползень постепенно преобразуется в мутьевой поток. Причиной возникновения мутьевых потоков может быть также перехват подводным каньоном масс наносов, перемещающихся в береговой зоне под действием волнения. Мутьевые потоки стекают по подводным каньонам. В устьях каньонов, где скорость потоков из-за выполаживания склона падает, они отлагают осадочный материал. Мутьевые потоки, особенно мощные, могут разрывать и перемещать разобщенные куски подводных телеграфных кабелей на большие расстояния, если кабели проложены на путях их движения. По усилиям, необходимым для разрыва кабелей и переноса их обрывков на те или иные расстояния, рассчитаны скорости мутьевых потоков: они могут доходить до 100 км/ч и более. Стекая по подводным каньонам, заложенным, по-видимому, в основном по тектоническим разломам, мутьевые потоки активно воздействуют на их дно и стенки. В результате каньоны углубляются, становятся извилистыми, на них появляются террасы и другие признаки русловых и долинных форм. Там, где скорость мутьевых потоков падает, происходит массовая аккумуляция переносимого ими материала, формируются обширные конусы выноса, обычно привязанные вершинами к устьям подводных каньонов. Конусы выноса соседних каньонов могут сливаться между собой. В результате у основания материкового склона формируется обширная наклонная аккумулятивная равнина – наиболее типичное морфологическое выражение материкового подножия. Суммарная мощность осадков может достигать нескольких километров. На шельфе совокупное действие гидрогенных и гравитационных факторов обеспечивает по преимуществу транзитный режим осадочного материала. К тому же субаквальное существование шельфа непродолжительно, поэтому морфологические результаты аккумулятивной деятельности гидрогенных и гравитационных факторов и ее влияние на рельеф шельфа ограничены. В батиальной и абиссальной зонах дна Мирового океана интенсивность действия этих процессов ниже, чем на шельфе, но зато длительность действия несравненно больше.

Геологическая работа донных и поверхностных океанских течений. В последнее время стало известно, что существует целая система донных абиссальных течений, совершающих геологическую работу на дне океана. Они образуются за счет опускания и растекания по дну выхоложенных шельфовых вод Антарктики и в меньшей степени, но также охлажденных арктических вод. Более локальное значение имеет донный сток очень соленых, а потому аномально плотных вод, втекающих в океан из Средиземного, Красного морей, а также из Персидского залива.

Главную роль в формировании донных водных масс играют антарктические воды. На пути донных потоков холодных антарктических вод, следующих на север, располагаются широтные и субщиротные звенья планетарной системы срединно-океанических хребтов, однако они не являются для этих потоков препятствием, так как рассечены поперечными ущельями, используемыми донными водами для стока из приантарктических котловин в океанические котловины, лежащие севернее.

К настоящему времени сложилось общее представление о циркуляции донных течений в Мировом океане. Изучено Атлантико-Антарктическое донное течение в южной части Аргентинской котловины, оно прорывается через узкий проход в зоне Фолклендского разлома, растекается в обе стороны от прохода, но главным образом к западу и образует Западное фолклендское донное. Скорость Западного Пограничного донного течения, образующегося вдоль материкового подножия Северной Америки в Атлантическом океане благодаря донному стоку холодных вод из Норвежско-Гренландского бассейна у северного подножия плато Блейк, достигает 20 см/с. Из течений, образуемых стоком ненормально соленых вод, изучено Лузитанское течение (к западу от Гибралтарского пролива). Его скорость по данным непосредственных измерений на глубине 700 – 800 м превышает 150 см/с.

Постоянные донные течения осуществляют массовую транспортировку осадочного материала. Подобно волнам и волновым течениям в береговой зоне моря, они создают своеобразные однонаправленные потоки движущегося осадочного материала. По аналогии с береговыми потоками наносов движение донного осадочного материала может прекратиться полностью или частично там, где по тем или иным причинам скорость донного течения понизится до критической величины, т. е. окажется недостаточной для перемещения частиц данной крупности и данного объема осадочного материала. В этом отношении наиболее хорошо изучено Западное Пограничное донное. Оказалось, что крупнейшие донные формы рельефа в зоне действия этого течения – хребты Ньюфаундлендский и Блейк-Багамский в действительности представляют собой гигантские аккумулятивные тела, сложенные косослоистыми осадками преимущественно илистого состава с песчаными прослоями, резко отличающимися по текстуре, структуре, составу от турбидитов – осадков мутьевых потоков, обычно широко распространенных в пределах материкового подножия.

Ньюфаундлендский хребет имеет вид мощной косы, сложенной толщей косослоистых алевритов с подчиненными слоями пелитовых осадков, по крайней мере до глубины 1,5 км от поверхности дна эта толща прослеживается достаточно четко. Вполне очевидно, что осадочная толща столь огромной мощности может быть сформирована либо в результате очень обильного поступления осадочного материала, либо в результате большой длительности процесса накопления.

Другая, еще более крупная аккумулятивная форма, генезис которой связан с этим же течением, Блейк-Багамский хребет – гигантский дугообразно изогнутый в плане вал, сложенный толщей илистых и глинистых осадков с тонкими прослоями мелкого песка с косой слоистостью. Для внутреннего строения толщи характерны также образования, получившие название «гигантских знаков ряби», или «гигантских рифелей» – своеобразных песчаных волн с шагом (т. е. расстоянием между ними) в 4 – 5 км. Такие ритмические образовавания отмечены также и в толще, слагающей Ньюфаундлендский хребет. Длина вала более 400 км, ширина 100 – 200 км. Наиболее полно описываемая аккумулятивная форма очерчивается изобатой 4800 м, но вся ее северная треть лежит на значительно меньшей глубине (2000 – 4000 м).

По-видимому, и в Атлантическом, и в других океанах подобные образования, связанные с транспортировкой и аккумулирующей деятельностью донных течений, не являются исключением. Есть, например, указание на существование подобной формы («хребет»). Дэви в южной части Коморской котловины в западной части Индийского океана (Канаев и др., 1975), начало формирования которой относится к верхнемеловому времени.

В Тихом океане давно известна крупнейшая аккумулятивная форма – Восточно-тихоокеанский экваториальный вал. Он начинается западнее осевой зоны Восточно-тихоокеанского хребта между 6 и 12° с. ш. и протягивается до островов Лайн. Глубоководное бурение показало, что вал сложен толщей карбонатных и карбонатно-кремнистых осадков. Наиболее глубокие из вскрытых бурением слоев имеют олигоценовый возраст. Мощность вала более 500 м. В отличие от ранее описанных форм это донное аккумулятивное образование сформировано при участии поверхностного экваториального течения и связано с зоной повышенной биологической продуктивности, приуроченной в восточной части Тихого океана к полосе апвел-линга, обусловленного дивергенцией экваториальных течений.

Донные течения со значительной скоростью препятствуют отложению тонких (глинистых или илистых) осадков. Так, распространение относительно крупнозернистых отложений на плато Блейк истолковывается как результат интенсивного воздействия Гольфстрима на дно в районе плато. При еще больших скоростях донные течения способны эродировать дно и вырабатывать долинные и русловые формы, весьма напоминающие речные долины на материках.,

Крупные долинные формы, выработанные донными течениями на больших глубинах океана, мы предлагаем называть абиссальными долинами.

В северо-восточной части Тихого океана выявлена целая система абиссальных долин протяженностью 1000 – 1500 км каждая. Эти долины прорезают поверхность плоских абис­сальных равнин – Аляскинской, Алеутской, Тафт. Возможно, что они также являются результатом эрозионной деятельности мутьевых потоков. По веерообразному рисунку планового расположения долин эти абиссальные равнины могут рассматриваться как гигантские и сильно уплощенные конусы выноса мутьевых потоков, сходные с уже упоминавшимися крупнейшими конусами выноса Ганга и Инда.

Итак, обзор некоторых результатов транспортирующей деятельности донных течений, их аккумуляционной и эрозионной работы убеждает нас в том, что на огромных пространствах дна океана энергично функционирует мощный экзогенный фактор рельефо­образования, который до сих пор совершенно не принимался во внимание в общих схемах экзогенезиса рельефа нашей планеты.

Течения в морях и океанах осуществляют огромную работу по разносу взвешенного материала. На мелководье (шельф, береговая зона) приливными течениями создаются линейно ориентированные крупные ритмические аккумулятивные формы – песчаные гряды, осложненные поперечными (также ритмичными) образованиями – песчаными волнами. Песчаные гряды – преимущественно современные динамические образования; в тех случаях, когда они расположены на большой глубине, это, возможно, реликтовые формы.

Как известно, поверхностные воды Мирового океана находятся в состоянии циркуляции, образующей систему квазистационарных течений, которые несомненно играют важную геологическую роль как фактор разноса взвешенного осадочного материала

Геологическая роль морских организмов. Роль организмов в геологической жизни океана велика и разнообразна. В ходе жизнедеятельности и при отмирании различных морских организмов происходит:

1) накопление рыхлого осадочного материала (скелетов и покровных частей различных организмов, обычно кремнистого или известкового состава);

2) формирование массивных пород типа рифовых известняков и образуемых ими форм рельефа – коралловых рифов;

3) разрушение и разрыхление горных пород вследствие деятельности различных «камнеточцев»;

4) переработка донных грунтов путем пропускания их через пищеварительный тракт илоедов, в результате которой донные отложения утрачивают слоистость и приобретают мелкокомковатую – копролитовую структуру.

Многие организмы улавливают взвеси и способствуют их осаждению. Известно, например, что мидии пропускают через себя в среднем 1,5 л/ч воды, начисто отфильтровывая все взвеси, содержащиеся в воде. При высокой плотности населения мидий, ведущих обычно колониальный образ жизни, это означает, что 1 м² поверхности мидиевой колонии перерабатывает за час до 150 т воды..

Многие жители моря обладают избирательной способностью концентрировать в своих покровах и мягких тканях различные элементы и неорганические соединения, растворенные в морской воде. Особенно большое значение имеет способность организмов усваивать известь или кремнезем, извлекаемые ими из морской воды. Эти вещества практически безвозвратно выбывают из кругооборота и накапливаются в донных осадках. Извлечение извести из морской воды и ее осаждение в донных осадках – один из важнейших, начиная с архея, геохимических процессов, протекающих в поверхностных оболочках Земли с постепенно нарастающей интенсивностью (Страхов, 1976). Процесс биогенного осаждения кремнезема имеет меньшие масштабы, но, как показывают результаты глубоководного бурения, также весьма характерен по крайней мере для мезокайнозойского этапа истории океана.

Одна из интереснейших и обширных проблем изучения роли биогенного фактора в формировании отложений и рельефа дна Мирового океана – образование и развитие коралловых рифов. За последние 20 лет по этому вопросу опубликован ряд капитальных работ. Извлечение извести из морской воды сопровождается рельефообразующей деятельностью мельчайших организмов – коралловых полипов, результаты которой по своим масштабам вполне сопоставимы с результатами тектонических движений земной коры.