Введение
Исследование истории и структуры дна океана
Морская геология, или геологическая океанография, – это изучение истории и структуры дна океана. Она включает в себя геофизические, геохимические, седиментологические и палеонтологические исследования дна океана и прибрежной зоны. Морская геология тесно связана с геофизикой и физической океанографией. Морские геологические исследования имели решающее значение для получения ключевых доказательств расширения морского дна и теории тектоники плит в годы, последовавшие за Второй мировой войной. Глубоководное дно океана остается последним практически неисследованным рубежом, и его детальное картографирование необходимо для достижения экономических (нефте- и металлодобычи), смягчения последствий стихийных бедствий и научных целей.
История
Изучение морской геологии началось в конце 1800-х годов во время четырехлетней экспедиции HMS Challenger. На борту HMS Challenger находилось почти 250 человек, включая моряков, инженеров, плотников, морских пехотинцев, офицеров и научную группу из шести человек, возглавляемую Чарльзом Уайвиллом Томсоном. Целью ученых было доказать наличие жизни в самых глубоких частях океана. Благодаря расположению Scripps на западном побережье Северной Америки и WHOI на восточном, изучение морской геологии стало значительно более доступным. В 1953 году картограф Мари Тарп создала первую трехмерную рельефную карту дна океана, которая подтвердила существование подводного горного хребта в середине Атлантического океана, а также Среднеатлантического хребта. Полученные данные обследования стали важным шагом к новым открытиям в области геологии морей. Геомагнитная съемка поддержала эту теорию. Съемка проводилась учеными с использованием магнитометров для измерения намагниченности базальтовых пород, выходящих на поверхность со средней океанической гряды. Они обнаружили, что по обе стороны от хребта располагались симметричные "полосы", соответствующие изменениям полярности планеты с течением времени.
Методы
Существует несколько методов сбора данных с морского дна, не требующих физического спуска людей или оборудования на океанское дно.
Сонар для бокового сканирования
Общим методом сбора изображений морского дна является боковой сканирующий сонар. Разработанный в конце 1960-х годов, этот метод исследования предназначен для использования активных сонарных систем на морском дне для обнаружения и формирования изображений объектов. В отличие от бокового сканирующего сонара, ученые могут получать различные типы измерений из записей и выдвигать гипотезы на основе собранных данных. Понимая скорость распространения звука в воде, ученые могут рассчитать время прохождения сигнала в обе стороны – от датчика корабля до морского дна и обратно. Эти вычисления позволяют определить глубину морского дна в данной области. Система, монтируемая на корпусе судна, излучает низкочастотные импульсы, которые проникают в поверхность морского дна и отражаются отложений в подповерхностном слое. Некоторые датчики способны достигать глубин более 1000 метров под морским дном, предоставляя гидрографам детальное представление о морской геологической обстановке. Внешний слой ядра Земли находится в жидком состоянии и состоит преимущественно из магнитного железа и никеля. При вращении Земли вокруг своей оси металлы генерируют электрические токи, создающие магнитные поля. Эти поля можно измерять для выявления геологических структур под морским дном. Этот метод особенно полезен в морских исследованиях и геологии, поскольку он позволяет не только характеризовать геологические особенности морского дна, но и обнаруживать затонувшие самолеты и корабли на больших глубинах. Основным используемым оборудованием является магнитометр, который обычно буксируется за судном или устанавливается на автономный необитаемый аппарат (AUV). Он способен измерять изменения магнитных полей и соответствующие географические координаты для создания карт. Магнитометр оценивает магнитное поле, как правило, каждую секунду, или один герц, но может быть откалиброван для измерения с разной частотой в зависимости от задачи исследования. Показания остаются стабильными до тех пор, пока устройство не обнаружит ферромагнитный материал. Это может быть как корпус корабля, так и железистый базальт на морском дне. Резкое изменение магнитного поля можно проанализировать на дисплее магнитометра. Преимущество магнитометра перед сонарными устройствами заключается в его способности обнаруживать артефакты и геологические объекты как на поверхности, так и под морским дном. Поскольку магнитометр является пассивным датчиком и не излучает волны, глубина его исследования не ограничена. Однако в большинстве исследований разрешение и достоверность полученных данных зависят от расстояния до объекта. Чем ближе устройство к ферромагнитному объекту, тем выше качество собранных данных.
Тектоника плит
Тектоника плит – это научная теория, разработанная в 1960-х годах, объясняющая основные процессы формирования рельефа, такие как горообразование, вулканизм, землетрясения и системы срединно-океанических хребтов. Суть теории заключается в том, что самый внешний слой Земли, известный как литосфера, состоящий из коры и верхней части мантии, разделен на крупные плиты. Дивергентные границы плит образуются, когда две тектонические плиты расходятся, конвергентные – когда две плиты сближаются, а трансформные – когда две плиты скользят относительно друг друга в горизонтальном направлении. Каждый тип границы связан с различными геологическими особенностями морского дна. Дивергентные границы являются причиной образования срединно-океанических хребтов, а конвергентные – зон субдукции и глубоководных желобов. Трансформные границы вызывают землетрясения, сдвиги горных пород и деформацию земной коры.
Система среднеокеанских хребтов
Дивергентные плиты непосредственно ответственны за самый большой горный хребет на Земле, известный как система срединно-океанических хребтов. Длина срединно-океанического хребта составляет почти 60 000 км. Это обширная цепь подводных вулканических гор, опоясывающая земной шар. В центре океанов эта уникальная геологическая формация включает в себя совокупность хребтов, рифтов, зон разломов и других геологических структур. Её формирование началось более 200 миллионов лет назад, когда американские, африканские и европейские континенты были еще соединены, образуя Пангею. После дрейфа континентов система хребтов стала более выраженной, и в последние 75 лет она подверглась интенсивному изучению. Срединно-Атлантический хребет также стал местом открытия распространения морского дна. Вулканическая активность производит новую океаническую кору вдоль хребта, в результате чего две плиты расходятся, поднимая новое морское дно из-под коры. В морской обстановке это обычно происходит, когда океаническая кора субдуцирует под континентальную кору, что приводит к вулканизму и образованию глубоководных желобов. Морская геология занимается картированием и изучением функционирования этих процессов. Известные геологические образования, созданные в зонах субдукции, включают Марианскую впадину и Тихоокеанское огненное кольцо.
Марианская траншея
Марианская впадина – самая глубокая из известных подводных впадин и самое глубокое место в земной коре. Это зона субдукции, где Тихоокеанская плита опускается под Марианскую плиту. Интенсивный вулканизм и сейсмическая активность представляют серьезную угрозу катастрофических землетрясений, цунами и извержений вулканов. Разработка систем раннего предупреждения и методов снижения последствий этих катастрофических явлений требует изучения морской геологии прибрежных и островных дуг для прогнозирования событий.
Разведка ресурсов
Морская геология располагает несколькими методами обнаружения геологических образований под морским дном. Два основных ресурса, добываемые в море, – это нефть и минералы. За последние 30 лет глубоководная добыча полезных ископаемых принесла в Соединенных Штатах Америки от 9 до 11 миллиардов долларов США. Несмотря на кажущуюся прибыльность, это высокорисковая и высокодоходная отрасль, оказывающая значительное вредное воздействие на окружающую среду. К основным минералам, извлекаемым из моря, относятся никель, медь, кобальт, марганец, цинк, золото и другие металлы. Эти минералы обычно формируются в районах вулканической активности, в частности вокруг гидротермальных источников и полиметаллических конкреций. Эти источники выбрасывают большие объемы перегретой, насыщенной металлами жидкости, которая поднимается и быстро охлаждается при смешивании с холодной морской водой. В результате химической реакции сера и минералы осаждаются, образуя дымоходы, башни и богатые минералами отложения на морском дне. Полиметаллические конкреции, также известные как марганцевые конкреции, – это округлые руды, образовавшиеся за миллионы лет в результате осаждения металлов из морской воды и пор воды в осадочных породах. Обычно они встречаются в отрыве друг от друга, разбросанными по абиссальной равнине, и содержат металлы, необходимые для производства аккумуляторов и сенсорных экранов, включая кобальт, никель, медь и марганец. Эта территория разделена на 16 участков для добычи и 9 зон, предназначенных для охраны природы. По данным Международного управления морским дном (ISA), общие запасы конкреций оцениваются в 21 миллиард тонн (Бт), в том числе 5,95 Бт марганца, 0,27 Бт никеля, 0,23 Бт меди и 0,05 Бт кобальта. Этот район пользуется высоким спросом для добычи полезных ископаемых благодаря богатым залежам минералов.
Развитие морской энергетики
Морская геология также имеет множество применений в области разработки морской энергетики. Морская энергетика – это производство электроэнергии с использованием океанских ресурсов. Это включает использование энергии ветра, тепла, волн и приливов для преобразования в электричество. Понимание рельефа морского дна и геологических особенностей может способствовать развитию инфраструктуры для поддержки этих возобновляемых источников энергии. Подводные геологические образования могут определять свойства океана, такие как течения и температура, что критически важно для выбора местоположения необходимой инфраструктуры для производства энергии. Стабильность морского дна важна для установки морских ветряных турбин. Большинство турбин закрепляются на морском дне с помощью монопал, если глубина воды превышает 15 метров. Их необходимо устанавливать в районах, не подверженных риску осадконакопления, эрозии или тектонической активности. Для обеспечения надежной поддержки турбин и восприятия действующих на них нагрузок необходимо проводить геологическую разведку территории перед началом разработки. Анализ влияния рельефа морского дна на движение воды может помочь в планировании и выборе местоположения морских электрогенераторов и оптимизации энергетических парков.
Картография и сохранение среды обитания
Морская геология играет ключевую роль в картографировании и охране среды обитания. Глобальные события, такие как глубоководная добыча полезных ископаемых и донный трал, могут нанести потенциально необратимый ущерб морским средам обитания, и морская геология может помочь в изучении и смягчении последствий этой деятельности. Район КНР (CCZ) был обследован и картографирован для определения конкретных участков для добычи полезных ископаемых и для охраны природы. Международное управление морским дном выделило приблизительно 160 000 квадратных километров морского дна в пределах КНР, поскольку этот район богат биоразнообразием и средами обитания. Использование надлежащих методов морских исследований позволило защитить тысячи мест обитания и видов, посвятив их охране. Донный трал также оказывает разрушительное воздействие на море, и применение методов морской геологии может помочь в смягчении этого воздействия. Донный трал, как правило, является коммерческим методом рыболовства, который включает в себя волочение большой сети, собирающей и вылавливающей целевые виды, такие как рыба или крабы. В процессе волочения сеть повреждает морское дно, соскабливая и удаляя животных и растительность, обитающих на морском дне, включая коралловые рифы, акул и морских черепах. Это может разрушать корневые системы и норы животных, что напрямую влияет на распределение донных отложений. Это, в свою очередь, может привести к изменению химического состава и уровня питательных веществ в морской воде. Морская геология позволяет определять поврежденные участки для применения методов восстановления среды обитания, а также выявлять участки, не затронутые донным тралом, для обеспечения охраны.
Транспортировка осадков и береговая эрозия
Транспортировка осадков и береговая эрозия – сложная тема, понимание которой необходимо для защиты инфраструктуры и окружающей среды. Береговая эрозия – это процесс разрушения и переноса осадочных пород и материалов под воздействием моря. Это может привести к уничтожению мест обитания животных, рыбного промысла и инфраструктуры. В Соединенных Штатах ущерб, нанесенный имуществу и инфраструктуре, оценивается примерно в 500 миллионов долларов в год, а федеральное правительство США дополнительно выделяет 150 миллионов долларов в год на смягчение последствий. Морская геология помогает изучать типы осадков, характер течений и рельеф дна океана для прогнозирования тенденций эрозии и защиты этих территорий.
Оценка природных опасностей
Землетрясения – одно из самых распространенных стихийных бедствий. Более того, они могут вызывать другие бедствия, такие как цунами и оползни, например, подводное землетрясение в Индийском океане магнитудой 9,1, которое спровоцировало цунами с волнами высотой не менее 30 футов, унесшее жизни около 230 000 человек в 13 странах. Морская геология и понимание тектонических плит способствуют разработке систем раннего оповещения и других мер по смягчению последствий для защиты людей и окружающей среды, подверженных риску стихийных бедствий. Многие системы раннего оповещения о землетрясениях (EEWS) уже функционируют, и разрабатываются новые.
Картография морского дна и батиметрия
Многие участки океанов постоянно погружены во тьму, имеют низкие температуры и подвергаются экстремальному давлению, что затрудняет их изучение. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), детально картографировано всего 23% морского дна, и одним из ведущих проектов в области исследований является создание карт морского дна с высоким разрешением. Okeanos Explorer, судно, принадлежащее NOAA, с 2008 года уже картографировало более 2 миллионов км² морского дна с помощью многолучевого сонара, однако эта технология оказалась слишком затратной по времени. Важность картографирования морского дна признается как правительствами, так и учеными. В связи с этим была разработана международная программа сотрудничества по созданию карты высокого разрешения всего морского дна – проект Nippon Foundation GEBCO Seabed 2030. Цель этого комитета – завершить проект к 2030 году. Для достижения этой цели они оснащают старые, новые и автономные аппараты сонарами, датчиками и другими технологиями на основе ГИС.