Подводные каньоны: формирование, особенности и процессы эрозии

Введение

Подводный каньон – это глубокая долина со крутыми склонами, врезанная в морское дно континентального склона, иногда простирающаяся на континентальный шельф, с почти вертикальными стенами и, в некоторых случаях, высотой стен до 300 метров от дна каньона до его края, как, например, в Большом Багамском каньоне. Подобно тому, как надводные каньоны служат руслами для течения воды по суше, подводные каньоны служат руслами для течения мутных потоков по морскому дну. Мутные потоки – это потоки плотной воды, насыщенной взвешенными частицами, поступающей из рек или образующейся на морском дне в результате штормов, подводных оползней, землетрясений и других нарушений грунта. Мутные потоки быстро движутся вниз по склону, размывая континентальный склон и, в конечном итоге, откладывая осадок на абиссальную равнину, где частицы оседают. Около 3% подводных каньонов включают шельфовые долины, пересекающие континентальные шельфы поперечно и начинающиеся в верховьях, совпадающих или находящихся вблизи устьев крупных рек, таких как Конго и каньон Гудзона. Примерно 28,5% подводных каньонов врезаются в край континентального шельфа, в то время как большинство (около 68,5%) не смогли значительно пересечь свои континентальные шельфы, имея начало или "голову" на континентальном склоне, ниже края шельфа. Считается, что формирование подводных каньонов происходит как минимум в результате двух основных процессов: 1) эрозия мутными потоками; и 2) обрушение и массовое сползание грунта с континентального склона. Хотя на первый взгляд модели эрозии подводных каньонов могут напоминать речные каньоны на суше, было обнаружено несколько существенно отличающихся процессов, происходящих на границе грунта и воды. Многие каньоны обнаружены на глубине более 200 метров ниже уровня моря. Некоторые из них могут простираться в сторону моря через континентальные шельфы на сотни километров, прежде чем достичь абиссальной равнины. Древние примеры найдены в породах, датируемых неопротерозоем. Турбидиты откладываются в нижних частях или устьевых участках каньонов, формируя абиссальный веер.

Steep sided valley cut into the seabed of the continental slope

A submarine canyon is a steep sided valley cut into the seabed of the continental slope, sometimes extending well onto the continental shelf, having nearly vertical walls, and occasionally having canyon wall heights of up to , from canyon floor to canyon rim, as with the Great Bahama Canyon. Just as above sea level canyons serve as channels for the flow of water across land, submarine canyons serve as channels for the flow of turbidity currents across the seafloor. Turbidity currents are flows of dense, sediment laden waters that are supplied by rivers, or generated on the seabed by storms, submarine landslides, earthquakes, and other soil disturbances. Turbidity currents travel down slope at great speed (as much as ), eroding the continental slope and finally depositing sediment onto the abyssal plain, where the particles settle out. About 3% of submarine canyons include shelf valleys that have cut transversely across continental shelves, and which begin with their upstream ends in alignment with and sometimes within the mouths of large rivers, such as the Congo River and the Hudson Canyon. About 28.5% of submarine canyons cut back into the edge of the continental shelf, whereas the majority (about 68.5%) of submarine canyons have not managed at all to cut significantly across their continental shelves, having their upstream beginnings or "heads" on the continental slope, below the edge of continental shelves. The formation of submarine canyons is believed to occur as the result of at least two main process: 1) erosion by turbidity current erosion; and 2) slumping and mass wasting of the continental slope. While at first glance the erosion patterns of submarine canyons may appear to mimic those of river canyons on land, several markedly different processes have been found to take place at the soil/water interface. Many canyons have been found at depths greater than below sea level. Some may extend seawards across continental shelves for hundreds of kilometres before reaching the abyssal plain. Ancient examples have been found in rocks dating back to the Neoproterozoic. Turbidites are deposited at the downstream mouths or ends of canyons, building an abyssal fan.

Характеристики

Подводные каньоны чаще встречаются на крутых склонах активных окраин, чем на пологих склонах пассивных окраин. Они демонстрируют эрозию во всех субстратах – от нелитофицированных отложений до кристаллических пород. На активных континентальных окраинах каньоны круче, короче, более разветвленные и расположены плотнее, чем на пассивных.

Формирование

Для образования подводных каньонов предложено множество механизмов. Основные причины их формирования остаются предметом дискуссий с начала 1930-х годов. Ранняя и очевидная теория заключалась в том, что современные каньоны были вырезаны в периоды оледенений, когда уровень моря был примерно ниже современного, и реки текли к краю континентального шельфа. Однако, хотя многие (но не все) каньоны расположены вблизи устьев крупных рек, речная эрозия надводными потоками не могла быть активна на глубинах, где были картированы каньоны, поскольку установлено (на основании многочисленных доказательств), что уровень моря не опускался до таких глубин. Считается, что основным механизмом эрозии каньонов являются турбидные течения и подводные оползни. Турбидные течения – это плотные, насыщенные взвешенными наносами потоки, движущиеся вниз по склону, когда нестабильная масса отложений, быстро накопившаяся на верхней части склона, теряет устойчивость, возможно, из-за землетрясений. Существует спектр типов турбидных или плотностных течений, от "мутной воды" до мощных грязевых потоков, и свидетельства обоих этих крайних проявлений можно наблюдать в отложениях, связанных с более глубокими частями подводных каньонов и каналов, таких как лопастные отложения (грязевые потоки) и береговые валы вдоль каналов. Массовые сдвиги, обрушения и подводные оползни – это формы разрушения склонов (воздействие гравитации на склон), наблюдаемые в подводных каньонах. Термин "массовые сдвиги" используется для обозначения более медленного и менее масштабного перемещения материала вниз по склону. Обрушение обычно используется для описания вращательного движения масс на склоне. Оползни, или сползания, обычно включают отрыв и перемещение масс осадочных пород. Теперь установлено, что многие механизмы формирования подводных каньонов в разной степени влияли на различные места, даже внутри одного и того же каньона или в разные периоды его развития. Однако, если необходимо выделить основной механизм, то линейная морфология каньонов и каналов, направленная вниз по склону, и транспортировка вымытых или рыхлых материалов с континентального склона на большие расстояния требуют, чтобы различные типы турбидных или плотностных течений выступали в качестве основных факторов. Помимо описанных выше процессов, особенно глубокие подводные каньоны могут формироваться и другим способом. В некоторых случаях море с дном, значительно расположенным ниже уровня моря, отрезается от более крупного океана, с которым оно обычно связано. Море, которое обычно пополняется за счет контакта и притока из океана, теперь больше не пополняется и, следовательно, пересыхает в течение определенного периода времени, который может быть очень коротким, если местный климат засушливый. В этом сценарии реки, которые ранее впадали в море на уровне моря, теперь могут углубляться в дно, которое стало открытым. Мессинский кризис солености является примером этого явления: между пятью и шестью миллионами лет назад Средиземное море стало изолированным от Атлантического океана и испарилось примерно за тысячу лет. В это время дельта Нила, как и другие реки, простиралась далеко за пределы своего нынешнего местоположения как по глубине, так и по длине. В результате катаклизма бассейн Средиземного моря был затоплен. Важным следствием этого является то, что вырезанные подводные каньоны теперь находятся значительно ниже современного уровня моря.

Different mechanisms have been proposed for the formation of submarine canyons. Their primary causes have been subject to debate since the early 1930s. An early and obvious theory was that the canyons present today were carved during glacial times, when sea level was about below present sea level, and rivers flowed to the edge of the continental shelf. However, while many (but not all) canyons are found offshore from major rivers, subaerial river erosion cannot have been active to the water depths as great as where canyons have been mapped, as it is well established (by many lines of evidence) that sea levels did not fall to those depths. The major mechanism of canyon erosion is thought to be turbidity currents and underwater landslides. Turbidity currents are dense, sediment laden currents which flow downslope when an unstable mass of sediment that has been rapidly deposited on the upper slope fails, perhaps triggered by earthquakes. There is a spectrum of turbidity or density current types ranging from "muddy water" to massive mudflow, and evidence of both these end members can be observed in deposits associated with the deeper parts of submarine canyons and channels, such as lobate deposits (mudflow) and levees along channels. Mass wasting, slumping, and submarine landslides are forms of slope failures (the effect of gravity on a hillslope) observed in submarine canyons. Mass wasting is the term used for the slower and smaller action of material moving downhill. Slumping is generally used for rotational movement of masses on a hillside. Landslides, or slides, generally comprise the detachment and displacement of sediment masses. It is now understood that many mechanisms of submarine canyon creation have had effect to greater or lesser degree in different places, even within the same canyon, or at different times during a canyon's development. However, if a primary mechanism must be selected, the downslope lineal morphology of canyons and channels and the transportation of excavated or loose materials of the continental slope over extensive distances require that various kinds of turbidity or density currents act as major participants. In addition to the processes described above, submarine canyons that are especially deep may form by another method. In certain cases, a sea with a bed significantly below sea level is cut off from the larger ocean to which it is usually connected. The sea which is normally repleted by contact and inflow from the ocean is now no longer replenished and hence dries up over a period of time, which can be very short if the local climate is arid. In this scenario, rivers that previously flowed into the sea at a sea level elevation now can cut far deeper into the bottom of the bed now exposed. The Messinian salinity crisis is an example of this phenomenon; between five and six million years ago, the Mediterranean Sea became isolated from the Atlantic Ocean and evaporated away in roughly a thousand years. During this time, the Nile River delta, among other rivers, extended far beyond its present location, both in depth and length. In a cataclysmic event, the Mediterranean sea basin was flooded. One relevant consequence is that the submarine canyons eroded are now far below the present sea level.