Методи вивчення геологічної будови морів та океанів

Мета роботи: ознайомитись з методикою та методами вивчення рельєфу, поверхневих шарів, будови і речовинного складу глибоководних шарів океанічної літосфери морів та океанів.

Завдання: знати методи вивчення рельєфу, поверхневих шарів, будови і речовинного складу глибоководних шарів океанічної літосфери та методику їх проведення.

 

Загальні теоретичні положення

 

Дно Світового океану, що становить по площі велику частину поверхні земної кулі, в геологічному відношенні вивчено недостатньо. Основною перешкодою для його дослідження служить товща води, що приховує рельєф і геологічний вигляд дна океану. Тому при його вивченні застосовують переважно дистанційні методи дослідження; лише в останні 10-15 років для безпосереднього візуального спостереження за особливостями рельєфу і геологічної будови дна морів і океанів стали використовувати підводні апарати. Різноманітні методи морської геології можна згрупувати в три класи в залежності від об’єкту дослідження: методи вивчення рельєфу і поверхні океанічного дна; методи вивчення будови і речовинного складу відповідно поверхневих шарів дна і глибоких шарів океанічної літосфери.

 

Метод та методика вивчення рельєфу і поверхні

Океанічного дна

 

У геологічному відношенні дно Світового океану вивчено недостатньо. Головною перешкодою тому є товща води, що перекриває його. Це зумовлює відмінність геологічних робіт у морі від робіт на суші. При роботах у морі не завжди є можливість безпосереднього спостереження морського дна та протяжності геологічних об’єктів. Як правило, дослідники користуються окремими зразками, що підняті з морського дна на денну поверхню, дещо в зміненому стані. Практично неможливо відібрати повторну пробу з того ж самого місця. Майже до останнього часу були проблеми з топографічною прив’язкою місць відбору проб.

За останні 15–20 років, окрім дистанційних методів дослідження Світового океану, стали використовувати методи безпосереднього візуального спостереження за особливостями рельєфу та геологічної будови з допомогою підводних апаратів, в яких знаходяться дослідники.

Морські геологічні дослідження включають комплекс методів, се­ред яких головними є геологічні та геофізичні. Залежно від об’єкта досліджень ці методи можна об’єднати у три класи: методи вивчення рельєфу морського дна, методи вивчення поверхневих (придонних) шарів, методи вивчення глибинних шарів океанічної літосфери.

Найбільш виразною характеристикою будови дна океану є його рельєф. У комплексі з геолого-геофізичними методами геоморфологічні дослідження є одними з опорних. Донедавна геоморфологія океанічного дна служила основою його тектонічного районування. Методика проведення морських геоморфологічних досліджень включає в себе наступні елементи: планування заміру, вимірювання глибин і первинна обробка даних. Залежно від завдань досліджень можна виділити три категорії виміру: попутний, регіональний і детальний.

Найбільш простим приладом для визначення глибини моря є простийлот (грузило з мотузкою або лінем). Бувають як ручні, так і механічні. Якщо низ лота намазати жиром, то можна визначити характер осаду на дні. Тепер найбільш поширеним способом вимірювання глибин є ехолотування. Ехолот – це пристрій для вимірювання глибини моря, що базується на визначенні часу, який потрібно, щоб звукова хвиля пройшла від судна до дна і назад. Сконструював його австрійський фізик А. Бем, а Ланжен використав ультразвук. Зазвичай використовують ультразвукові однопроменеві ехолоти з частотою 9–20 кГц і величиною кута при вершині ефективного конуса випромінювання 30^о. Суть методу полягає в тому, що з борта судна посилається вниз звуковий сигнал, який, відбившись від дна, повертається назад (рис. 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Схема ехолотування і сейсмічного зондування морського дна:

1 – ехолот; 2 – пневмовипромінювач; 3 – багатоканальний індикатор; 4 – радіогідроакустичний буй.

 

Глибину моря Н визначають за формулою:

де – швидкість звуку у воді, м/с,

Т – час поширення звукової хвилі, с.

Швидкість звуку залежно від мінералізації води, тиску і температури змінюється переважно у межах 1410–1530 м/с. Одержані дані обробляються з використанням комп’ютерів з введенням спеціальних поправок.

За останні роки, замість однопроменевих ехолотів, набули поширення багатопроменеві, які дозволяють знімати цілу смугу дна, ширина якої залежить від глибини. При цьому можна одержати кольорове дво- або тривимірне графічне зображення рельєфу.

На базі даних ехолотування будуються батиметричні карти (карти глибин) різних масштабів, як важливої форми узагальнення даних про глибини і рельєф дна океанів.

Поверхню морського дна вивчають також за допомогою гідролокаторів бічного огляду (ГБО), так званих “сонарів”, працюючих у частотному діапазоні 40–50 кГц. Для збудження імпульсів використовують магнітострикційні вібратори потужністю 250–500 Вт. ГБО, як і багатопроменеві ехолоти, забезпечують вивчення рельєфу дна у межах порівняно широкої смуги (1–1,5 км), розташованої вздовж шляху судна.

Візуальне зображення підводних об’єктів отримують за допомогою методу звукобачення, заснованого на застосуванні акустичних хвиль.

Методу підводного звукобачення сприяв розвиток голографії – спосіб отримання об’ємних зображень, заснованого на явищі інтерференції. Голограма – це інтерференційна картина, утворена хвилею від предмета і опорною (когерентною) хвилею. В акустичній голографії об’єкт опромінюють акустичними коливаннями певної частоти. Відбита хвиля поступає на поверхню перетворювача. При одночасному попаданні на приймальну поверхню перетворювача когерентних акустичних коливань виникає ефект інтерференції. Зображення цієї картини, зареєстроване на фотоплівці, утворить голограму – дифракційні гратки, що складаються з перешарування темних і світлих смуг. Якщо освітити цю голограму опорною хвилею, то внаслідок дифракції відновиться предметна хвиля і виникне зображення об’єкта. Голограму, утворену звуком і відновлену світлом, називають соноптограмою. Недолік цього методу – велика складність апаратури.

Велике значення при вивченні поверхні дна морів і океанів має метод підводного фотографування і кінозйомки. Підводне телебачення застосовується для візуального обстеження дна, коли по зображенню на телеекрані можна отримати уявлення про його рельєф, склад і умови залягання порід, характер геологічних процесів. Телекамери поділяють на стаціонарні і пересувні (що буксируються, переносні і самохідні).

Стаціонарні застосовують для постійних спостережень. На малих глибинах вони працюють в умовах природної освітленості, на великих – зі штучним підсвічуванням. На дрейфі судна або на малому ходу стаціонарні камери використовують для зйомок у підвішеному стані. Телекамери, що буксируються можуть працювати і при великій швидкості судна. Вони обладнані стабілізуючими пристроями для руху на заданій глибині. Управляють камерою з борту судна. Переносні камери використовують акванавти при індивідуальній роботі. Самохідна телекамера складається з носія, підводних світильників і інших пристроїв. Управляють рухом і роботою камери з борту судна. Радіус дії установки визначається довжиною кабелю, по якому подається електроенергія, і може досягати багатьох сотень метрів. Підводну телезйомку можна виконувати при набагато гірших умовах, ніж фотозйомка.

Пілотовані підводні апарати використовуються як для вирішення проблем фундаментальної науки, так і чисто практичних задач (огляд підводних частин інженерних споруд, трубопроводів тощо). У океані вони використовуються для випробування порід дна, прямих спостережень геологічної будови, збору інформації про тваринний світ або властивості водного середовища. Завдяки роботі цих апаратів був складений розріз океанічної кори поперечного хребта розлому Віма в Атлантичному океані. Вони широко використовуються для вивчення активних і неактивних гідротермальних полів. Одне з останніх відкриттів (2000 р.) (поле Лост Сіті, розлом Атлантіс в Атлантичному океані) було зроблене з пілотованого підводного апарату. Сучасні глибоководні наукові підводні човни, які можуть досліджувати глибини до 6000–6500 м, працюють у Франції, США, Японії і Росії.

Рідко, але використовується і підводне геологічне картування з використанням аквалангів та водолазних костюмів, а також підводного телебачення і підводних керованих людиною апаратів. Фотографування дна може здійснюватись за допомогою підводного фотографування, а також і з повітря та космосу. При фотографуванні дна з повітря можна одержати якісні знімки у межах глибин до 12–40 м, а при використанні багатоспектрального фотографування – до глибин 65 м.