Кіріспе
Теңіз геологиясы немесе геологиялық океанография – мұхит түбінің тарихы мен құрылымын зерттейтін ғылым. Ол мұхит түбі мен жағалау аймағын геофизикалық, геохимиялық, шөгінділік және палеонтологиялық тұрғысынан зерттеуді қамтиды. Теңіз геологиясы геофизикамен және физикалық океанографиямен тығыз байланысты. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейінгі жылдары теңіз түбінің кеңеюі мен плиталар тектоникасының маңызды дәлелдерін беруде теңіз геологиялық зерттеулерінің маңызы зор болды. Теңіздің терең түбі – әлі толық зерттелмеген соңғы шекара және экономикалық (мұнай және металл кендерін өндіру), табиғи апаттардың салдарын азайту және ғылыми мақсаттарды қолдау үшін оның егжей-тегжейлі картасын жасау қажет.
Marine geology or geological oceanography is the study of the history and structure of the ocean floor. It involves geophysical, geochemical, sedimentological and paleontological investigations of the ocean floor and coastal zone. Marine geology has strong ties to geophysics and to physical oceanography. Marine geological studies were of extreme importance in providing the critical evidence for sea floor spreading and plate tectonics in the years following World War II. The deep ocean floor is the last essentially unexplored frontier and detailed mapping in support of economic (petroleum and metal mining), natural disaster mitigation, and academic objectives.
Тарих
Теңіз геологиясын зерттеу 1800 жылдардың соңында, ХМС Челленджер экспедициясының 4 жылдық сапарында басталды. ХМС Челленджер кемесінде 250-ге жуық адам болды, оның ішінде теңізшілер, инженерлер, ағаш ұсталары, мортықтар, офицерлер және Чарльз Уайвилл Томсон басқарған 6 ғалымнан тұратын ғылыми топ кірді. Ғалымдардың мақсаты – мұхиттың ең терең бөліктерінде өмір бар екенін дәлелдеу еді. Скриппс Солтүстік Американың батыс жағалауында, ал WHOI шығыс жағалауында орналасқандықтан, теңіз геологиясын зерттеуге қол жеткізу әлдеқайда оңай болды. 1953 жылы картограф Мари Тарп мұхит түбінің алғашқы үш өлшемді рельефтік картасын жасады, ол Атлантика мұхитының ортасында су асты тау жотасы және ортаатлантикалық жота бар екенін көрсетті. Зерттеу деректері теңіз геологиясы туралы көптеген жаңа жаңалықтар ашуға үлкен қадам болды. Бұл теорияны қолдайтын геомагниттік зерттеу жүргізілді. Зерттеуді ғалымдар магнитометрлерді пайдаланып, ортаатлантикалық жотадан шығып тұрған базальт тау жыныстарының магниттілігін өлшеді. Олар жотаның екі жағында планетаның полярлығы уақыт өте келе өзгеретін симметриялық "жолақтар" бар екенін анықтады.
Әдістер
Теңіз түбінен деректерді алудың әртүрлі әдістері бар, адамдар мен техниканы теңіздің түбіне тікелей жібермей.
Бүйірлік сканерлік сонар
Жағалау суларының бейнесін алудың көп қолданылатын әдісі – жақтан сканерлейтін сонар. 1960 жылдардың соңында жасалған бұл зерттеу әдісінің мақсаты – теңіз түбіндегі активті сонар жүйелерін қолданып, нысандарды анықтау және олардың суреттерін жасау. Жақтан сканерлейтін сонардан өзгеше, ғалымдар жазбалардан түрлі өлшемдерді анықтап, жиналған деректер негізінде болжамдар жасауға мүмкіндік алады. Судағы дыбыс жылдамдығын түсіну арқасында ғалымдар кеме сенсорынан теңіз түбіне және кері кемеге дейінгі екі жақты қашықтықты есептей алады. Бұл есептеулер сол аймақтағы теңіз түбінің тереңдігін анықтайды. Кеме корпусына орнатылған жүйе төмен жиілікті импульстарды жібереді, олар теңіз түбінің бетіне еніп, астыңғы қабаттардағы шөгінділерден шағылысады. Кейбір сенсорлар теңіз түбінен 1000 метрден астам тереңдікке жете алады, бұл гидрографтарға теңіз геологиялық ортасының толық суретін береді. Жер ядросының сыртқы қабаты сұйық күйде болып, негізінен магниттік темір мен никельден тұрады. Жер өзінің осінен айналғанда, металдар электр тогын бөліп шығарып, магниттік өрістерді жасайды. Бұл өрістерді өлшеу арқылы теңіз астындағы геологиялық құрылымдарды анықтауға болады. Бұл әдіс теңізді зерттеу және геология салаларында өте пайдалы, себебі ол теңіз түбіндегі геологиялық ерекшеліктерді сипаттаумен қатар, теңіздің түбінде жатқан ұшақтар мен кемелердің құлау орындарын да анықтауға мүмкіндік береді. Магнетометр – негізгі құрал болып табылады, ол әдетте кеме артынан сүйретіледі немесе AUV-ге орнатылады. Ол магниттік өрістердегі өзгерістерді өлшеуге және карта жасау үшін осы деректерді геолокациямен байланыстыруға қабілетті. Магнетометр магниттік күшті әдетте секундына бір рет немесе бір герц жиілікте бағалайды, бірақ зерттеу мақсатына қарай өлшеу жылдамдығын өзгертуге болады. Құрал темірлі материалды анықтағанша, көрсеткіштер тұрақты болады. Бұл кеме корпусынан бастап, теңіз түбіндегі темірлі базальтқа дейін болуы мүмкін. Магнетизмнің кенеттен өзгеруі магнитометр экранында талданады. Магнитометрдің сонар құралдарынан артықшылығы – ол теңіз түбіндегі және астындағы артефакттар мен геологиялық нысандарды анықтау қабілеті. Магнетометр пассивті сенсор болғандықтан, толқындар шығармайды, сондықтан оның зерттеу тереңдігі шексіз. Алайда, көптеген зерттеулерде жиналған деректердің сапасы мен нақтылығы құралдың нысанаға дейінгі қашықтығына байланысты. Құрал темірлі нысанаға неғұрлым жақын болса, соғұрлым жақсы деректер жиналады.
Плиталар тектоникасы
Плиталық тектоника – 1960 жылдары дамыған ғылыми теория, ол тау пайда болуы, жанартаулар, жер сілкіністері және мұхиттың орталық бөлігіндегі қырқалар сияқты ірі жер бедері құбылыстарын түсіндіреді. Бұл теория бойынша, Жердің ең сыртқы қабаты – литосфера, ол жер қыртысы мен мантиядан тұрады, кең аумақты тас плиталарға бөлінген. Екі тектоникалық плита бір-бірінен алыстағанда дивергентті плита шекарасы, екі плита бір-біріне жақындағанда конвергентті плита шекарасы, ал екі плита бір-бірінің қабырғасынан сырғығанда трансформациялық плита шекарасы пайда болады. Әрбір шекара түрі әртүрлі геологиялық және теңіз ерекшеліктерімен байланысты. Дивергентті плиталар мұхиттың орталық бөлігіндегі қырқа жүйелерінің қалыптасуына себеп болса, конвергентті плиталар субдукция аймақтарын және терең теңіз шұңқырларын құруға жауапты. Трансформациялық шекаралар жер сілкіністерін, тау жыныстарының орнын ауыстыруын және жер қыртысының деформациясын тудырады.
Орта мұхит қырқалар жүйесі
Дивергентті пластиналар Жердегі ең үлкен тау тізбегі – орта мұхит қырқасы жүйесінің тікелей пайда болуына жауапты. Шамамен 60 000 км-ге созылған орта мұхит қырқасы – бүкіл әлемді шарлайтын су астындағы жанартау тауларының кең тізбегі. Мұхиттың ортасында орналасқан бұл ерекше геологиялық құрылымда тау қырқалары, жарықтар, жарықшалар және басқа геологиялық нысандар бар. Ол 200 миллион жыл бұрын Америка, Африка және Еуропа құрлықтары әлі біріккен кезде, Пангея құрылымын қалыптастырып, пайда бола бастады. Құрлықтардың қозғалысынан кейін қырқалар жүйесі анықталды және соңғы 75 жылда қарқынды зерттелді. Атлантикалық қырқасы теңіз түбінің таралуын ашуға бастау берді. Жанартаулық белсенділік қырқа бойында жаңа мұхит қабығын жасайтын кезде, екі пластина бір-бірінен алшақтап, қабықтың астынан жаңа мұхит түбін көтереді. Теңіз жағдайында бұл әдетте мұхит қабығы континенттік қабықтың астына батып, жанартаулық белсенділікке және терең мұхит шұңқырларының пайда болуына әкеледі. Теңіз геологиясы осы процестердің қалай жұмыс істейтінін картаға түсіріп, түсінуге бағытталған. Субдукциялық аймақтарда пайда болған танымал геологиялық нысандарға Мариан шұңқыры және От жүзігі жатады.
Мариана траншеясы
Мариан шұңқыры – ең тереңі белгілі су асты шұңқыры және Жер қабығының ең терең нүктесі. Бұл Тынық мұхиты плитасының Мариан плитасының астына батып кету аймағы. Оның күшті жанартаулық және сейсмикалық активтігі құрылыс қирату, цунами және жанартау шығару сияқты қауіпті жағдайлар тудырады. Осы қауіпті оқиғаларға ерте ескерту жүйелерін және оларды жеңілдету шараларын құру үшін жағалау және аралдық доға аймақтарының теңіз геологиясын оқиғаларды болжау үшін зерттеу қажет.
Ресурстарды барлау
Теңіз геологиясы теңіз астындағы геологиялық нысандарды анықтаудың бірнеше әдісін қамтиды. Теңізде өндірілетін екі маңызды ресурс – мұнай және минералдар. Соңғы 30 жылдағы терең теңіздегі кен өндірісі АҚШ-та 9-11 миллиард АҚШ доллары табыс әкелді. Бұл сектор пайдалы болғанымен, жоғары тәуекел және жоғары сыйақы саласы болып табылады, сонымен қатар көптеген зиянды экологиялық әсерлерге де ұшырайды. Теңізден алынатын негізгі минералдардың ішінде никель, мыс, кобальт, марганец, мырыш, алтын және басқа да металдар бар. Бұл минералдар көбінесе жанартаулық белсенділік аймақтарында, әсіресе гидротермальдық буланақтар мен полиметалл түйіндерінің маңында қалыптасады. Бұл буланақтардан металдарға толы, қатты қызған сұйықтықтар шығып, суық теңіз суымен араласқанда тез суынады. Химиялық реакция нәтижесінде күкірт пен минералдар тұнбаға түсіп, теңіз түбінде түтіндей нысандар, мұнаралар және минералға бай кен орындары пайда болады. Полиметалл түйіндері, сондай-ақ марганец түйіндері деп те аталады, миллиондаған жылдар бойы теңіз суы мен шөгінділердің поры суынан металдардың тұнбаға түсуінен пайда болған дөңгелек пішіндес кендер. Олар әдетте теңіз түбінде еркін жатыр, кеңінен тараған және батареялар мен сенсорлық экрандарды жасау үшін маңызды металдарды – кобальт, никель, мыс және марганецті қамтиды. Бұл аймақ 16 кен өндірісіне арналған учаскеге және 9 консервациялық бөлімге бөлінген. Халықаралық Теңіз Түбі Авторитетінің (ISA) мәліметтері бойынша, шамамен 21 миллиард тонна (Бт) түйін бар, оның ішінде 5,95 Бт марганец, 0,27 Бт никель, 0,23 Бт мыс және 0,05 Бт кобальт. Ондағы минералдардың жоғары мөлшеріне байланысты бұл аймақ кен өндірісі үшін өте ізделіспен қаралады.
Теңіздегі энергияны дамыту
Теңіз геологиясы теңіздегі энергияны дамыту саласында көптеген қолданыстарға ие. Теңіздегі энергия – мұхит негізіндегі ресурстарды пайдалану арқылы электр энергиясын өндіру. Бұған жел, жылу, толқын және таяды қозғалысын пайдаланып энергияға түрлендіру кіреді. Теңіз түбі мен геологиялық ерекшеліктерді түсіну осы жаңартылатын энергия көздерін қолдау үшін қажетті инфрақұрылымды дамытуға көмектеседі. Су асты геологиялық нысандар энергия өндіруге қажетті инфрақұрылымды орналастыру үшін маңызды ағыстар мен температуралар сияқты мұхиттың қасиеттерін анықтай алады. Теңіз түбінің тұрақтылығы теңіздегі жел турбиналарын орнату үшін өте маңызды. Көптеген турбиналар су тереңдігі 15 метрден жоғары болған жағдайда, теңіз түбіне монопильдер арқылы бекітіледі. Олар шөгінділердің жиналуы, эрозия немесе тектоникалық белсенділік қаупі төнетін аймақтарда орнатылмауы тиіс. Турбиналардың дұрыс қолдауын және оларға түсетін күштерді қамтамасыз ету үшін даму алдында геологиялық аймақты зерттеу қажет. Теңіз түбінің су қозғалысына тигізетін әсерін талдау, теңіздегі генераторларды жоспарлауға және орналастыруға, сондай-ақ энергия өндірісін оңтайландыруға көмектеседі.
Өрнек картасын жасау және қорғау
Теңіз геологиясы мекендеу ортасын картаға түсіру және оны сақтауда маңызды рөл атқарады. Жаһандық оқиғалар, мысалы, терең теңіздегі кен өндіру және түбіндегі трал аулау сияқты, теңіз мекендеу ортасына қайта орнату мүмкін емес зиян келтіруде. Теңіз геологиясы осы әрекеттердің салдарына зерттеу жүргізуге және оларды жеңілдетуге көмектеседі. CCZ аймағында кен өндіру және қорғау үшін арнайы аймақтар анықталған және картаға түсірілген. Халықаралық Теңіз Түбі Басқармасы CCZ ішінде шамамен 160 000 шаршы километр теңіз түбін биологиялық әртүрлілікке және мекендеу орталарына бай болғандықтан бөліп алды. Тиісті теңіз зерттеулері мыңдаған мекендеу орталарын және түрлерді сақтауға бағытталды. Түбіндегі трал аулау теңізге зиянды әсер етеді, ал теңіз геологиясының әдістерін қолдану осы зиянды азайтуға көмектеседі. Трал аулау, көбінесе коммерциялық балық аулау техникасы, балық немесе қабылдақ сияқты нысаналы түрлерді ұстап алуға арналған үлкен желіні сүйреп тартуды қамтиды. Осы процесте желі теңіз түбін зақымдайды, онда тіршілік ететін жануарлар мен өсімдіктерді, соның ішінде коралл рифтерін, акулаларды және теңіз тасбақаларын сырып алып тастайды. Ол тамыр жүйелерін және жануарлардың қуыстарын жыртып тастауы мүмкін, бұл шөгінділердің таралуына тікелей әсер етеді. Бұл теңіз суының химиялық құрамы мен қоректік заттар деңгейінің өзгеруіне әкелуі мүмкін. Теңіз геологиясы зақымдалған аумақтарды анықтап, мекендеу ортасын қалпына келтіру техникаларын қолдануға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ол түбіндегі трал аулаудан зардап көрмеген аймақтарды анықтап, оларды сақтау шараларымен қамтамасыз етуге көмектеседі.
Седименттер тасымалы және жағалау эрозиясы
Седименттердің тасымалы және жағалау эрозиясы – инфрақұрылым мен қоршаған ортаны қорғау үшін түсіну қажеттілігі бар күрделі мәселе. Жағалау эрозиясы – теңіздің әсерінен шөгінділер мен материалдардың ыдырап, тасымалдану процесі. Бұл жануарлардың тіршілік ету ортасын, балық шаруашылығын және инфрақұрылымды қиратуға алып келуі мүмкін. АҚШ-та мүліктерге және инфрақұрылымға келтірілген зиян жылына шамамен 500 миллион долларға бағаланады, ал АҚШ федералдық үкіметі осы зиянды азайтуға жылына қосымша 150 миллион доллар бөледі. Теңіз геологиясы шөгінділердің түрлерін, ағымдардың схемаларын және мұхиттың топографиясын зерттеуге көмектеседі, бұл эрозиялық тенденцияларды болжауға және осы ортаны қорғауға мүмкіндік береді.
Табиғи қауіптерді бағалау
Жер сілкінісі – ең көп кездесетін табиғи апаттардың бірі. Бұдан әрі, олар цунами және көшкін сияқты басқа да апаттарға себеп болуы мүмкін. Мысалы, Үнді мұхитында болған 9.1 магнитудалы су асты жер сілкінісі цунамиды тудырды, оның толқындары кем дегенде 30 футқа дейін жетіп, 13 елде шамамен 230 000 адамның қаза болуына әкеп соқты. Теңіз геологиясы және плита шекараларын зерттеу, табиғи апаттарға осал адамдар мен қоршаған ортаны қорғау үшін ерте ескерту жүйелерін және басқа да қауіпсіздік шараларын әзірлеуге көмектеседі. Көптеген жер сілкінісін алдын ала ескерту жүйелері (EEWS) қолданыста болып, одан да көп жүйелер әзірленуде.
Теңіз түбін карталау және батиметрия
Мұхиттардың көп бөлігі тұрақты түрде қараңғы, температурасы төмен және өте жоғары қысымда болады, бұл оларды бақылауды қиындатады. Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқару (NOAA) мәліметтері бойынша, теңіз түбінің бар болғаны 23% ғана егжей-тегжейлі түрде картаға түсірілген, ал теңізді зерттеудегі жетекші жобалардың бірі – теңіз түбінің жоғары ажыратымды карталарын жасау. NOAA-ға тиесілі Okeanos Explorer кемесі 2008 жылдан бері көп сәулелі сонарды пайдаланып, 2 миллион км²-дан астам теңіз түбін картаға түсірді, бірақ бұл техника тым көп уақыт алатыны анықталды. Теңіз түбін картаға түсірудің маңыздылығын үкіметтер де, ғалымдар да мойындады. Осы себепті, бүкіл теңіз түбінің жоғары сапалы картасын жасау мақсатында халықаралық ынтымақтастық жобасы құрылды, ол Nippon Foundation GEBCO Seabed 2030 жобасы деп аталады. Бұл комитет 2030 жылға дейін жобаны аяқтауды көздеп отыр. Олар өз мақсатына жету үшін ескі, жаңа және автономды көлік құралдарын сонарлармен, сенсорлармен және басқа да ГИС-не негіделген технологиялармен жабдықтап жатыр.