Гигантский конвейер на дне океана

О происхождении гидротерм. Вот сейчас, читая эти строки, вы движетесь вместе со своим столом, домом, населенным пунктом. Точнее – вместе со своей литосферной плитой, на которой все находится. А в каком направлении и с какой скоростью, это зависит от плиты. Обычно перемещения плит совершаются очень медленно – со скоростью примерно 1 см в год. Однако есть плиты, имеющие скорость движения в 10–15 раз большую. Но и при такой скорости за 80 лет ваш дом передвинется всего на 8–12 м. Вы этого не заметите, так как одновременно произойдет такое же смещение всех соседних с вашим домом предметов.

Иное дело, если бы вы вернулись на Землю после длительного путешествия в космосе со скоростью, близкой к световой. Например, так, как это произошло с героями романа Веркора «Планета обезьян». За время их отсутствия на Земле прошло много тысяч лет. В этом случае найти свой дом будет труднее.

Ученые насчитали 9 громадных плит и десятки плит поменьше, в том числе микроплиты. Площадь отдельных плит колеблется от сотен миллионов до нескольких сотен квадратных километров. Толщина плит изменяется от нескольких километров у их краев в местах образования до 200 км у континентальных.

На рисунке на с. 74 приведена карта расположения литосферных плит. Самая большая – Тихоокеанская. Она находится на дне Тихого океана, но занимает не всю его площадь. Рядом с ней другая плита – Наска, она значительно меньше. А по соседству с ними лежит плита Кокос (ее часто называют Кокосовой плитой). На вид она самая маленькая из трех. Ученые предполагают, что на самом деле она гораздо больше: значительная часть ее ушла под соседние плиты. Три названные плиты океанские, т. е. они расположены под водой и не выходят на сушу.

Имеется еще шесть плит смешанной конструкции: Североамериканская, Евроазиатская, Африканская, Южноамериканская, Индийская, или Индо – Австралийская, Антарктическая. Каждая из них объединяет континентальные (т. е. материковые) площади с участками океанского дна. Плиты перечислены в порядке убывания их площадей, все они показаны на карте на с. 74. Иногда их, включая три океанские, называют главными плитами. Некоторые ученые называют еще Аравийскую плиту.

Десять названных литосферных плит занимают примерно 85 % всей поверхности земного шара. Оставшиеся 15 % приходятся на малые и микроплиты. Микроплиты – обломки, затертые между мощными плитами, находятся в пределах границ главных плит. Впрочем, отдельные микроплиты найдены в частях больших плит, далеких от пограничных. Значение имеет не размер, а характер движения и расположение глубинных разломов, по которым плиты скользят в процессе своего перемещения. Тут мы подошли к основному положению теории тектоники – все литосферные плиты находятся в непрерывном движении.

Схема расхождения литосферных плит при спрединге.

Движение плит имеет различный характер. Плиты могут скользить вдоль своих границ, перемещаться в горизонтальной плоскости по перпендикуляру к пограничной линии в ту или другую сторону. Иногда даже совершать небольшие перемещения в вертикальном направлении.

Взаимное перемещение плит часто приводит к деформации их краев. А когда предел упругих деформаций пород превосходит допустимые значения, образуются разломы и возникают землетрясения. Большие или малые, в зависимости от размеров областей, охваченных деформацией. Поэтому пограничные области между плитами называются поясами сейсмичности. Это – беспокойные районы. Здесь происходит не менее 95 % всех землетрясений Земли. Остальные 5 % приходятся на так называемый внутриплиточный вулканизм.

Рельефная карта Атлантического и Индийского океанов.

Ведущие ученые считают наличие сейсмических поясов главным признаком для определения современных границ между отдельными плитами. Границы между плитами на дне океанов определяются экспериментально с помощью особой измерительной техники – многоканального сейсмического профилирования.

При движении плиты могут раздвигаться между собой. Процесс раздвижения соседних плит называется спредингом. Он имеет особое значение для образования гидротерм. Спрединг наблюдается в рифтовых долинах срединно – океанических хребтов.

На рельефной карте дна Атлантического океана в левой части (см. рис. на с. 77) хорошо виден Срединно – Атлантический хребет. Он змейкой вьется по дну почти по меридиану от Антарктиды вверх на Север, к просторам Северного Ледовитого океана. В разных частях по своей длине хребет имеет отдельные названия. В Арктическом бассейне он заканчивается тремя параллельными горными хребтами: Гаккеля, Ломоносова и Менделеева.

В одном месте часть Срединно – Атлантического хребта выходит на поверхность – это остров Исландия. Образован он базальтовой лавой, поднявшейся на поверхность из рифтовой долины хребта. Сам хребет остался, разумеется, внизу.

Исландия – страна огнедышащих вулканов, гейзеров и горячих источников. Отопление более половины жилых домов, школ, больниц, теплиц и промышленных предприятий ведется там за счет гидротерм. Есть даже электростанции на гидротермах, как у нас на Камчатке. Гидротермальные источники дают очень большой тепловой поток: 2,210¹² больших калорий в год на 80 тыс. км срединных хребтов. Эта цифра – до 30 % всего теплового потока на земном шаре. В 250 км от Северного полярного круга тепло гидротерм помогает выращивать огурцы, дыни, помидоры, цветы и бананы!

За счет извержения подводного вулкана 14 января 1963 г. территория Исландии увеличилась на 3,75 км₂ – образовался островок. Извержения вулканов (их около 200, причем 30 – действующих) здесь происходят в среднем каждые пять лет. Страной льдов и огня называют Исландию.

По оси каждого срединного хребта четко прослеживается глубокая рифтовая долина. Хребет как бы рассечен по всей длине на две части – восточную и западную. Симметричность строения склонов вправо и влево по осевой линии хребта свидетельствует о сходстве происходящих здесь процессов по обе стороны. В правой части карты находится Срединно‑Индийский хребет. На нем также хорошо видна рифтовая долина.

Дно океанов в основном горы. Этот удивительный факт был установлен всего четверть века назад. Совсем недавно считалось, что дно океанов – плоская равнина и там нет ничего интересного, за исключением редких подводных гор. Вершины некоторых из них выходят на поверхность – это острова. И только.

Глобальная система срединно – океанических хребтов имеет суммарную длину около 80 тыс. км. Подобных гигантских горных систем нет на поверхности Земли. Вершины многочисленных подводных гор возвышаются над дном океана на 2,5–3 км, а ширина хребтов у основания доходит до 2–3 тыс. км.

Как показывают наблюдения с подводных обитаемых аппаратов, склоны рифтовых долин, обращенные к оси хребтов, очень круты. Там часто встречаются обрывистые уступы высотой в несколько сотен метров. По геологическому строению рифтовых долин ученые судят о протекающих в них геофизических процессах. А они там идут довольно бурно. Рифтовая долина – одно из самых загадочных образований срединных хребтов. Это щель в таинственные недра нашей планеты.

Если взять пробы донного грунта, а потом определить в лаборатории их возраст, то окажется, что с удалением от оси рифтовой долины возраст пород будет возрастать.

Именно так поступили американские исследователи в 1968 г., когда с помощью плавучей буровой вышки «Гломар Челленджер» им впервые удалось взять для анализа образцы донных пород на разных расстояниях от оси Срединно – Атлантического хребта. Одновременно был определен возраст намагниченности образцов. Оказалось, что он также увеличивается при удалении от хребта. Периодически измеряется и знак намагниченности.

Исследования привели ученых к выводу, что в рифтовых долинах срединных хребтов образуется новая океанская кора, которая постепенно расползается в обе стороны от породившей ее долины.

На дне океанов как бы работает гигантский конвейер. Он переносит молодые блоки литосферных плит от места их зарождения к континентальным окраинам океанов. Дорога, как правило, длинная – ведь блоки плит должны пересечь половину ширины океана. А скорость движения маленькая.

Пусть плита образовалась в рифтовой долине на расстоянии 1500 км от ближайшего берега. Примем для простоты подсчета скорость ее перемещения ≈10 см/год. Чтобы достичь берега, этой плите потребуется 15 млн. лет. По дороге на плите будут накапливаться различные осадки. К концу путешествия их максимальный возраст, как показали исследования, будет около 10–15 млн. лет. По прохождении своего пути плита опустится в глубоководный желоб и нырнет под континент, обратно в астеносферу, из которой она образовалась в рифтовой долине (конечно, расплавившись по мере погружения). Так замыкается круг жизни каждой литосферной плиты. Литосферный конвейер работает не непрерывно, а дискретно, т. е. прерывисто, скачками. Об этом свидетельствуют последние данные.

На рельефной карте Тихого океана (см. рис. на с. 38) особенно хорошо видно кольцо глубоководных желобов, окружающих океан по окраинам. Его называют огненным кольцом. Кольцо – одно из самых беспокойных мест планеты. Еще не размягчившиеся как следует блоки литосферных плит «со скрипом» погружаются в тесное пространство желобов. Поэтому в районе огненного кольца часто возникают землетрясения.

Когда начинается спрединг и края соседних литосферных плит расходятся, в образовавшуюся между ними щель снизу поднимается магма – базальтовый расплав из астеносферы. Вещество астеносферы находится в состоянии, близком к плавлению. Поэтому оно способно течь. Считается, что расплав обладает свойствами ньютоновской жидкости и имеет вязкость порядка 10²⁰ – 10²¹ пуаз (при ламинарном течении имеет постоянную вязкость, не зависящую от режима течения в области докритических значений числа Рейнольдса). Но не из всей астеносферы, а из ближайшего приповерхностного магматического очага, или камеры. Так называется еще мало изученная горячая ячейка в астеносфере, откуда происходит излияние магмы в рифтовую долину. Не всегда поднимающаяся вверх магма идет на «мирное строительство» новой коры океана. Иногда, и, к сожалению, нередко, она изливается на поверхность Земли. Тогда она грозит бедой всем, кто окажется поблизости. Так, летом 1984 г. в районе порта Рабаула (Новая Гвинея) начались подземные толчки с магнитудой до 5,5 по шкале Рихтера. Магнитудой называется логарифм отношения, в числителе которого стоит максимальное смещение земной поверхности в волне, или максимальная скорость, а в знаменателе – аналогичная величина для землетрясения, магнитуда которого принята за 0. Частота толчков достигала 1400 в месяц! Трясло через каждые полчаса. Ученые связывают это длительное землетрясение с подъемом большого участка земной коры на дне бухты Бланч. За последние 2 года он поднялся примерно на метр. Здесь на дне имеются разломы в коре океана, которые активизировались в последние 10 лет.

Специалисты пришли к выводу, что в этом месте выталкивается на поверхность содержимое магматического очага. Образуется новый вулкан, бурное извержение которого считается вполне реальным. В район развертывающихся событий пришло несколько научно – исследовательских судов. Ученые получили уникальную возможность непосредственно наблюдать процесс образования вулкана.

Но вернемся к процессам в рифтовых долинах. В щель между плитами, образовавшуюся в результате спрединга, сверху низвергается вода. Возникает противоборство огня и воды. Поднявшийся по щели магматический расплав постепенно затвердевает на уровне, соответствующем гидростатическому равновесию. Это означает, что блоки вновь образовавшихся литосферных плит плавают на поверхности астеносферы, как куски льда на поверхности воды.

Одновременно с отвердением идет химическая реакция гидратации (взаимодействие магмы с водой, сопровождающееся образованием гидратных соединений), в результате которой постепенно образуется новая кора океана.

При следующих вспышках тектонической активности вновь образовавшиеся блоки поднимутся выше через верхние края плит, толкая перед собой ранее образованные. Именно поэтому возраст пород дна увеличивается с удалением от оси рифтовой долины. В рифтовых долинах образуется много глубоких трещин. Глубина их достигает 3 км, ширина разная, часто всего несколько миллиметров. Их можно видеть из подводных обитаемых аппаратов. Расчеты показали, что ширины щели всего в 3 мм уже достаточно для циркуляции в ней морской воды. Широкая циркуляция воды по глубоким трещинам приводит к образованию гидротерм.

В трещинах при контакте соленой воды с раскаленным базальтом первоначальный химический состав воды и ее температура изменяются. Вода сильно нагревается и насыщается ионами марганца, железа, кремния, цинка, калия и других элементов. Происходят химические реакции между элементами, содержащимися в соленой воде океана и вымываемыми из слоев базальта. В результате на поверхность дна океана обратно выходят струи гидротерм, значительно отличающиеся по своему химическому составу от обычного состава воды океана. Гидротермы образуются не только в зонах спрединга, но и в зонах трансформных разломов. Так называются места на дне океанов, где края плит скользят друг по другу, не расходясь и не сближаясь, более или менее параллельно. В таких районах также много глубоких трещин, куда проникает вода океана и где, следовательно, может происходить образование гидротерм.

Интенсивность процесса образования новой коры определяется скоростью спрединга (числом сантиметров, на которые расходятся за один год две соседние литосферные плиты). Это очень важный параметр. Скорость считается малой, если она меньше 6 см/год, большой – если больше 6 см/год.

Медленно расширяющиеся хребты составляют половину всей системы срединно – океанических хребтов. В них гидротермальная деятельность не столь интенсивна, как в быстро расширяющихся. Но они считаются перспективными в смысле поиска полезных ископаемых (полиметаллических руд). Предельной еще недавно считалась скорость 15 см/год. А теперь появилось сообщение об обнаружении сверхскоростного спрединга. Он открыт в южной части Восточно‑Тихоокеанского поднятия (Галапагосский хребет). Здесь скорость раздвижения плит достигает 16 см/год. Считается, что это – самая высокая скорость спрединга на Земле.

Суммарная скорость расхождения двух плит не означает, что скорости обеих плит равны. Например, в районе Фамоус (Атлантика) суммарная скорость равна 2,4 см/год, но скорость с восточной стороны выше, чем с западной.

Скорость 3 см/год соответствует скорости около одного микрометра в секунду (10^‑7 см/с). Примерно с такой скоростью растут некоторые деревья, движутся ледники и частицы при броуновском движении. Скорости такого порядка измеряются с помощью лазерных допплеровских анемометров (ЛДА). Именно с помощью этих интересных приборов были измерены и скорости движения литосферных плит.

Вспомним принцип эффекта Допплера: спектр сигнала, отраженного от движущегося предмета, отличается от спектра первоначального сигнала. Например, тон звукового сигнала электрички, проходящей без остановки мимо платформы, на которой вы стоите, заметно изменяется на слух в процессе ее движения. Когда она быстро подходит, частота звука ее сигнала заметно нарастает – звук становится более высоким, а когда она миновала платформу и удаляется от вас, звук не только делается более тихим, но и понижается его частота – звук становится басовитым. Происходит это потому, что при приближении поезда скорость самого источника, т. е. гудка, складывается со скоростью распространения звука в воздухе. В результате каждую секунду в ухо попадает большее число звуковых волн. Неподвижный наблюдатель слышит повышение тона гудка. При удалении поезда все происходит наоборот – в единицу времени попадает меньшее число звуковых волн, что соответствует кажущемуся уменьшению высоты тона гудка для неподвижного наблюдателя.

При изучении движения литосферных плит пользуются не акустическими сигналами, а электромагнитным излучением от лазеров. Первоначально были созданы стационарные, т. е. неподвижные, установки. Они позволили измерить скорость передвижения отдельных горных вершин. Подобные измерения производятся, например, в Гималаях.

А теперь сделан удачный опыт измерения скорости перемещения литосферных плит, находящихся на поверхности Земли, с помощью спутников.

Для этой цели английские ученые создали космическую систему из одиннадцати искусственных спутников, находящихся на разных высотах: от 1 до 6 тыс. км. На спутниках смонтированы зеркала, отражающие импульсы лучей лазеров, посылаемых с поверхности Земли. Отсчет времени с момента посылки лучей до момента их возврата позволяет с необходимой точностью измерять движения плит, образующих земную кору. Еще никто не измерил скорость перемещения плит на дне океана в зоне рифтов или в зоне сейсмических поясов.

Ученые опускают туда донные сейсмографы – особые магнитофоны, способные улавливать очень низкие частоты. Они часто регистрируют там микроземлетрясения, о которых на поверхности никто и не догадывается. Донные сейсмографы – очень чувствительные приборы. Они записывают шорохи и шумы, возникающие при самых малых подвижках плит, вблизи которых они установлены на дне. Развивается новая область сейсмологии, которая должна помочь людям своевременно получить информацию о надвигающемся землетрясении.

Рифтовые зоны относятся к числу наиболее изученных районов срединных хребтов. Они – в центре внимания ученых разных специальностей. Как устроен гигантский механизм, заставляющий плиты перемещаться? По этому поводу высказано много различных гипотез и сделано большое количество экспериментов, но число вопросов не уменьшилось. Например: почему в низкоспрединговых хребтах наблюдается боковое поднятие сбросовых ступеней по краям рифта? Почему их нет там, где происходит быстрый спрединг?

Что такое субдукция и что она может? Если две литосферные плиты движутся навстречу друг другу, т. е. сходятся, то настает момент, когда они сталкиваются. Развивается процесс поддвига и погружения одной из плит под другую. Такой процесс называется субдукцией. Зоны, где она происходит, интересны с точки зрения поиска полезных ископаемых.

Схема «бульдозерного» эффекта.

Край плиты, оказавшийся сверху, сгребает осадки с поверхности плиты, идущей вниз. Верхняя плита работает как нож бульдозера. В результате на поверхности уходящей вниз плиты появляются мощные складки осадочных пород. Складки эти образуют структурные ловушки, где могут скапливаться большие количества нефти и газа (см. рис. на с. 86). Нефть и газ легче воды. Поэтому они стремятся всплыть. Если этому препятствует достаточно плотный слой осадков, то нефть и газ будут скапливаться в самом высоком месте, т. е. в складках под куполами. Предполагается, что подобный механизм способствовал образованию нескольких крупных месторождений нефти и газа в разных частях земного шара.

Но субдукция дает не только положительный эффект. Столкновение литосферных плит приводит к землетрясениям. Иногда очень сильным, когда погибает много людей. Пример – землетрясение в Мексике в 1985 г.

Плита Кокос движется в восточном направлении. Она поддвигается под Северо – Американскую плиту у западного побережья Мексики. Плиты движутся со средней скоростью 6 см/год навстречу друг другу. Поддвиг Кокосовой плиты происходит под ту часть Северо – Американской плиты, которая является участком дна Тихого океана в этом районе. При переме щении плит возникают большие механические напряжения, сосредоточенные на наиболее прочных отрезках.

19 сентября 1985 г. в 7 ч 18 мин на глубине 15 км под г. Ласаро – Карденас произошло вспарывание одного из наиболее напряженных участков на границе между двумя плитами. В этом месте края плит разошлись в течение нескольких секунд почти на 2 метра! Сила подземного толчка достигла 8,1 балла по шкале Рихтера. Но разрушения, как сообщала печать, были сравнительно небольшими. Ускорение движения вблизи эпицентра было в пределах 15 % от ускорения силы тяжести (g). Известно, что при землетрясениях, происшедших раньше в других районах, ускорение достигало единицы g, т. е. 9,81 м/с². В следующую минуту импульс распространился на 170 км вдоль разлома, через 2 мин с небольшим он прошел 360 км и достиг г. Мехико.

В Мехико живет около 18 млн. человек. Здесь колебания Земли вызвали разрушение многих сотен больших зданий и гибель тысяч жителей. Наиболее сильные колебания были отмечены в плотно застроенном высокими домами центре города. Трагический эффект был особенно велик из‑за неожиданного механического резонанса, возникшего в глинистом грунте, на котором стоит город.

Большая часть города расположена на территории высохшего древнего озера, от которого остался толстый слой глины. Собственный период механических колебаний этого слоя оказался близким к 2 с. Примерно тот же период имели сейсмические колебания, возникшие при вспарывании. В результате под городом возник резонанс, значительно усиливший катастрофу.

Особенно пострадали те здания, собственный период колебаний которых был близок к резонансному.

Каждый этаж дает период колебаний примерно в ОД с, поэтому здания в 20 этажей теоретически имели резонансный период в 2 с. Разрушилось 300 зданий высотой от 6 до 15 этажей. Это свидетельствует о размытости кривой резонанса, что наблюдается всегда при недостаточно добротном резонаторе.

Ученые пока еще не научились точно предсказывать землетрясения. Если бы удалось контролировать механические напряжения в месте контакта двух плит, то, вероятно, можно было бы получить полезную информацию, предупреждающую о надвигающейся катастрофе.

Однако проникнуть в глубину коры океана на полтора десятка километров очень трудно. Ученые еще только осваивают технику сверхглубокого бурения (скважина на Кольском полуострове).

Недавно установлено, что столкновение литосферных плит не только грозит землетрясением, но и влияет на климат. Влияние это обнаруживается за несколько месяцев до катастрофы. В районах, где ожидалось сильное землетрясение, наблюдались резкие аномалии погоды. Над очагами будущих катастроф была задолго отмечена максимальная солнечная радиация, наибольшее количество ясных дней, самая высокая температура воздуха и скорость ветра, минимальная облачность, влажность и наименьшее количество осадков.

Например, перед катастрофическим землетрясением в Ашхабаде 1948 г. прошедшей зимой было самое большое число часов солнечного сияния за много лет. Второй максимум этого параметра наблюдался зимой 1967–1968 г., перед вторым ашхабадским землетрясением.

М. Р. Милькисом собран обширный материал по наблюдениям 120 метеостанций, подтверждающий появление погодных аномалий и в других районах Туркмении и Узбекистана перед большими землетрясениями.

Итак, необходимо наблюдать за погодой, сравнивать с тем, какой она была раньше, и делать соответствующие выводы. Однако сделать правильный вывод не всегда просто.

В 1986 г. на Черноморском побережье Кавказа стояло необычайно жаркое лето. Несколько месяцев не было дождей. Относительная влажность воздуха временами достигала необычайно низких значений. Случались и сильные ветры. Можно ли по этим данным с уверенностью сказать, что будет сильное землетрясение? Думаю, что нет. Ведь такая погода случалась здесь и раньше, примерно один раз в 5–6 лет. И не было землетрясений. Следовательно, необходима еще дополнительная информация.

М. Р. Милькис считает, что погодные аномалии в областях, где подготавливаются землетрясения, связаны с тепловыми и электрическими явлениями, возникающими в процессе подготовки сейсмического удара.

Сходная точка зрения была высказана раньше другими исследователями. 4 марта 1977 г. за несколько часов до сильного землетрясения в Карпатах академик М. А. Садовский совместно со своими сотрудниками Г. А. Соболевым и Н. М. Мигуновым зарегистрировали повышенное количество электрических разрядов на расстоянии около 300 км от будущего эпицентра землетрясения. Направление прихода сигналов было близким к эпицентру. Более 80 % зарегистрированных импульсов отклонялись от направления на эпицентр не более чем на 15°. Наблюдалось свечение атмосферы вблизи эпицентра. Одновременно были отмечены многочисленные сбои в работе ЭВМ и телеграфной связи.

Авторы этой работы подчеркивают, что их прием – ная аппаратура позволяла отделить сигналы сейсмического происхождения от обычных помех, создаваемых грозовыми облаками, тучами пыли, ветром и т. п. Очень интересен вопрос о происхождении радио волновых предвестников землетрясения. Ученые считают их вторичным излучением, возникающим благодаря особой модуляции обычных электромагнитных излучений разрядов молний. Оно возникает при отражении электромагнитных волн разрядов в атмосфере (атмосфериков) от приземного слоя атмосферы, ионизированного вследствие сейсмической активности. Вне сейсмоактивной зоны возникает интерференция прямых и отраженных волн, приводящая к изменению естественного излучения разрядов молний.

В заключение несколько слов об одном геологическом происшествии, случившемся давным – давно.

Ученые умеют вычислять с помощью ЭВМ траектории движения отдельных литосферных плит. Благодаря этому удалось сделать реконструкцию положений материков в разные периоды геологической истории Земли.

Литосферные плиты совершают сложные перемещения по поверхности Земли. Движение любой плиты происходит вокруг своей оси, проходящей через центр Земли. Но иногда некоторые плиты или, точнее, их куски ведут себя странным образом – этого пока не может объяснить теория. Вспомним об Аляске. В наши дни это северная оконечность Северо – Американской литосферной плиты. Но так было не всегда.

Изучение состава горных пород, их намагниченности и окаменелых остатков вымерших организмов привело американского геолога Дж. Сэлиби к выводу, что часть Аляски, прилегающая к Канаде, 375 млн. лет назад принадлежала Австралии. А потом этот кусок оторвался от восточной части Австралии, переместился через Тихий океан, сделал остановку у побережья Перу, затем двинулся в сторону Калифорнии, отрезал от нее небольшую прибрежную часть с золотоносными жилами, после чего пришел на свое нынешнее место…

Образование сульфидных руд. Вода гидротерм – жидкая руда. В ней растворено большое количество соединений различных металлов, таких, как железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель и др.

Измерения в «черных курильщиках» показали, что струя черного цвета с температурой около 330 °C выходит из трубы со скоростью от 0,5 до 2 м/с. Расход воды для трубы с внутренним диаметром 3 см колеблется в пределах от 3,5 до 14 л/с. Концентрация ионов металлов близка к 0,1 г/л. Одна труба с расходом примерно 10 л/с при такой концентрации дает около 100 кг металла в сутки. Значительная часть вынесенных в струе металлов не осаждается тут же на дно, а рассеивается вокруг, образуя полиметаллические осадки и, возможно, конкреции.

Непосредственное использование гидротерм для добычи тех или иных металлов в настоящее время считается экономически невыгодным. По подсчетам американских исследователей, для получения 1 т цинка требуется переработать примерно 6 млн. т термальной воды. Столько извергает средний «курильщик» за несколько месяцев. Одна тонна цинка стоит (по ценам 1986 г.) около 1 тыс. рублей. За такие деньги достать с большой глубины и переработать несколько миллионов тонн горячей воды невозможно. Иначе обстоит дело с использованием сульфидных руд, образующихся естественным путем в поле гидротерм.

В гидротермальном растворе содержится около 0,01 % железа и по нескольку десятитысячных долей процента цинка, марганца, меди, кобальта и других ценных металлов. Имеется много кремнезема (0,129 %), сероводорода (0,021 %) и кальция.

После выхода гидротермальный раствор смешивается с холодной водой океана. Происходят различные химические реакции, в том числе приводящие к образованию «черного дыма» (взвесь мелких частиц сульфида железа). Это соединение нерастворимо в воде, поэтому оно выпадает в виде черного дыма. А потом садится на дно, образуя залежи сернистого железа, известного в геологии под названием пирита.

В местах выхода гидротерм благодаря осаждению вокруг струи сульфата кальция образуются трубы. Кальций – из раствора, сульфат – из морской воды. Схема химических реакций, происходящих в «черных курильщиках», показана на рисунке на с. 93. Постепенно трубы разрастаются, их внутренняя поверхность реагирует с неразбавленной струей гидротермы и растворяется. В результате сульфат кальция замещается сульфидными минералами. Образуются сульфидные руды – ценное сырье для промышленности. Процесс идет не только вверх, но и вширь за счет боковых прорывов струи через стенки трубы. Постепенно на дне океана образуются сульфидные залежи, достигающие толщины в несколько десятков метров и длины в сотни метров. Образование отложений может привести к «засорению» труб и, следовательно, к прекращению функционирования гидротерм на данном участке поверхности дна.

С «Алвина» наблюдали множество «иссякших» труб на протяжении до 600 м по оси хребта. Отложение сульфидных руд в этом месте достигает толщины в несколько десятков метров! Миллионы тонн ценнейшей руды. Вопрос состоит в том, как лучше организовать их добычу.

Интересно, что подтверждение описанному механизму образования гидротерм было найдено на поверхности Земли. Речь идет об офиолитовом комплексе Омана на побережье Аравийского моря. Офиолитами обычно называются комплексы, где базальтовые породы лежат поверх ультраосновной океанической коры. Они представляют собой легкий шлак, поднявшийся в верхнюю часть грандиозной плавильной печи, которой являются недра Земли. Из базальта состоит океаническое дно. Базальтовый слой «вышел* на материк в результате столкновения литосферных плит. Обнажился слоеный пирог – офиолит. Кроме Омана подобные структуры встречаются в Калифорнии, Тибете, на острове Кипр, в прибрежной зоне северо – восточного Средиземноморья и в других местах.

Изучение офиолитового комплекса Омана показало, что некогда морская вода проникла в толщу пород под дном океана на глубину более 5 км, где и произошла химическая реакция с породами океанской коры при температуре около 400 °C.

А потом, спустя долгое в геологическом понимании время, участок океанического дна был вытеснен тектоническими силами на поверхность Земли в районе Омана. Теперь здесь ученые имеют возможность, не погружаясь в океан, изучать химические реакции, происходившие давным – давно в глубинах Земли под дном океана.

Изучение офиолитовых комплексов имеет большое практическое значение, поскольку в них встречаются металлоносные осадки и рудные тела (в виде линз они часто встречаются в офиолитах в разных концах Земли). В них содержатся миллионы тонн пирита.

Предполагается, что в глубинах океанов на дне много сульфидных руд, богатых разными металлами, в том числе серебром. Например, сульфидная руда из Восточно – Тихоокеанского поднятия (21° с. ш.) со держит около 50 % чистого цинка, 0,75 % меди, 0,35 % свинца, 700 г/т кадмия и до 400 г/т других металлов. Столь же богаты ценными металлами сульфидные руды из трех других месторождений на дне океана. Ученые ищут промышленные месторождения сульфидных руд. Сульфидные руды очень ценны. Поэтому даже небольшие залежи их имеют промышленное значение. Недавно было сообщение о том, что совместная франко – американская экспедиция нашла в одной из рифтовых долин Тихого океана залежи сульфидных руд во много миллионов тонн. Поиски велись с борта французского подводного обитаемого аппарата «Сиана» методом электроразведки. Месторождение это имеет промышленное значение. Будут найдены и другие месторождения этих ценнейших руд. Вопрос состоит в том, как лучше организовать их разведку, а потом – добычу.

Гидротермы имеют большое значение в геологии и химии Мирового океана. Они – источник пищи для удивительных животных в глубоководных оазисах, и кроме того, они создают в глубинах рудные залежи ценных металлов. Однако в Мировом океане имеются и другие механизмы образования рудных залежей, например железомарганцевые конкреции и корковые руды. Предполагается, что гидротермы являются также важным фактором, определяющим химический состав вод океана в целом через цепочку природных взаимосвязей. Гидротермы влияют и на климат Земли.

Где и как образуются корковые руды. В литосферных плитах на дне Мирового океана иногда происходят внутриплиточные вулканические извержения. Лава поднимается по отдельным относительно узким каналам, образующимся в океанской коре. Растекаясь вокруг центрального канала, она постепенно образует коническую «постройку», круглую или эллиптическую в сечении, с крутизной склонов от 5 до 35°, называемую подводной горой.

Подводные горы, как правило, вытянуты в цепи во внутренних частях литосферных плит, далеких от краев. На их вершинах часто образуются углубления, т. е. кратеры, где происходит излияние лавы. Если диаметр кратера больше 2 км, то он называется кальдерой. Часто встречаются подводные горы с плоскими вершинами. Они называются гайотами. Предполагают, что плоские вершины образуются при заполнении кальдер лавой через кольцевые каналы.

Гайоты представляют особый интерес: на их склонах обнаруживают ценные железомарганцевые руды с высоким содержанием кобальта. Они называются корковыми рудами.

Содержание кобальта в образцах корковых руд, найденных советскими специалистами на двух гайотах в Тихом океане, превышает 1 %. Это очень высокое содержание ценного металла. При такой концентрации один гайот может дать десятки миллионов тонн дефицитного металла. Поэтому корковые руды считаются одними из самых перспективных океанских руд.

Найти новый, никем не открытый и не показанный на картах гайот – большая удача. Это удалось ученым в 9–м рейсе научно – исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР. В конце 1984 г. они нашли гайот в Тихом океане, в системе Магеллановых гор, находящихся в Восточно – Марианской котловине.

Новый гайот получил название гайота Института океанологии Академии наук СССР (гайот ИОАН). Он возвышается над поверхностью котловины более чем на 4500 м. неподалеку от гайота Ита – Майтаи, который имеет высоту больше 6 тыс. м, а его вершина располагается на глубине 1400 м. Обе подводные горы были детально обследованы с помощью подводных обитаемых аппаратов «Пайсис». Было сделано несколько маршрутов, по 5–6 ч каждый. Наблюдатель – геолог в подводном аппарате «идет» по геологическому маршруту почти так же, как он привык это делать на суше. Только образец породы он берет не руками, а с помощью манипулятора, да смотрит он через иллюминатор, на который давит вода с силой около 100 т.

На гайоте Ита – Майтаи в Тихом океане на глубине 1950 м манипулятором подводного аппарата «Пайсис» отбирается биологический образец: бесстебельчатые лилии, сидящие на горгоновом коралле.

Исследованные советскими учеными гайоты были островами и двигались вместе с литосферными плитами, на которых они возникли. В течение длительного времени происходило медленное погружение этих островов, их склоны постепенно пересекали слой кислородного минимума. Предполагается, что это обстоятельство имело решающее значение для образования корковых руд.

Слой кислородного минимума образуется в океане на глубинах от 600 до 2000 м. Кислород здесь расходуется на окисление органики. В пределах этих глубин происходит разложение основной массы органического вещества планктона. Кобальт интенсивно поглощается планктонными животными из морской воды. А при разложении планктонных организмов в слое кислородного минимума кобальт снова переходит в воду, обогащая ее. Здесь он и захватывается рудным веществом. Таким путем происходит обогащение формирующихся железомарганцевых корок не только кобальтом, но также никелем и медью.

Среди нагромождений железомарганцевых корок гайота Ита – Майтаи на глубине 1800 м аппарат встретил угря.

По наблюдениям советских ученых, рассеянные металлы могут концентрироваться лишь в том случае, если нерудные компоненты, т. е. тончайшие частицы глинистых и обломочных минералов, в том числе нерастворимые остатки планктонных организмов, будут выноситься за пределы области накопления руды. Для этого необходимо подводное течение у дна со скоростью в пределах 3–30 см/с. Начало образования рудных корок на гайотах Ита – Майтаи и ИОАН произошло около 20 млн. лет назад. Геологи называют это время средним миоценом. Оно соответствует началу ледникового периода, с которым связано усиленное перемешивание воды в океане, увеличение биологической продуктивности океана, образование слоя кислородного минимума и начало широкого образования корковых руд на подводных горах.

На подводных горах Лайн и Маркус – Неккер, Ита‑Майтаи и ИОАН обнаружены корковые руды более раннего возраста – около 100 млн. лет. Геологи объясняют это тем, что корки образовались во время пересечения горами экваториальной области, где биопродуктивность была высокой на протяжении более 100 млн. лет.

Для образования корковых руд на подводных горах необходимо совпадение целого ряда независимых факторов: наличие отлогих склонов, длительное нахождение их на глубинах слоя кислородного минимума, интенсивная циркуляция окружающих склоны придонных вод и др.

Изучение истории различных районов дна Мирового океана дает возможность планировать поиски гайотов с залежами ценных руд, поскольку образование руд зависит от геологической и физической истории подводных гор.

До открытия корковых руд наибольшее экономическое значение среди руд океана придавалось железомарганцевым рудам. Не потеряли своего значения они и теперь. Однако за редким исключением поля железомарганцевых конкреций лежат на средних и больших глубинах океана – от 4 до 5–6 тыс. м. Промышленная добыча конкреций с таких глубин трудна. Нужны специальные суда. Использование этих конкреций – ближайшая перспектива для металлургии.

Корковые руды на склонах гайотов находятся на глубинах от 200–300 до 2500 м. Поэтому добывать их будет легче. И это перспектива не столь отдаленного будущего. Для этого нужна особая техника.

Почему не тонут конкреции? На дне океанов имеются гигантские залежи конкреций. Они оцениваются примерно в 2–3 трлн. т. В среднем конкреции содержат: марганца – 25 %, железа – 14 %, никеля – 1,9 %, меди – 0,5 %, кобальта – 0,4 %, в небольших количествах свинец, радиоактивные, рассеянные и редкие элементы (см. рис. на с. 100). Запасы некоторых химических элементов в конкрециях во много раз превышают разведанные запасы на суше. Плотность конкреций колеблется в пределах 1,91–1,95 г/см³. Конкреции лежат на слое жидкого ила с плотностью от 1 до 1,4–1,6 г/см³, но не тонут, а как бы плавают. Но плавать они не могут! Ведь они значительно тяжелее жидкого ила. Вспомните закон Архимеда. Спрашивается: почему же они не тонут?

В ил конкреции часто погружены не полностью. Поэтому верхние части их бывают окружены морской водой, плотность которой, как известно, не превышает 1,033 г/см³. Следовательно, выталкивающая сила еще меньше по сравнению с той, которая была бы при полном погружении конкреций в ил. Но конкреции устойчиво держатся на поверхности ила.

Удивление вызывает еще одно обстоятельство. Скорость роста конкреций в океане очень мала – всего несколько миллиметров в миллион лет, а скорость образования осадков на дне океана примерно в тысячу раз больше – миллиметры за тысячу лет. Поэтому конкреции должны были бы давно скрыться под слоем осадков толщиной во много метров. Но этого не произошло. В чем же дело? Как объяснить столь странную «непотопляемость» конкреций?

Есть несколько гипотез, объясняющих столь необычное явление в Мировом океане.

Одна из гипотез объясняет странное поведение конкреций деятельностью донной фауны. Предполагается, что животные, ползающие по дну, все время выталкивают конкреции на поверхность донных осадков. Или тем или иным способом сгребают осадки с верхних частей конкреций, сталкивая осадки вниз. Согласно этой гипотезе, бентосные животные должны непрерывно работать, как бульдозеры.

Имеются и другие гипотезы. Например, гидродинамическая, согласно которой конкреции постоянно перекатываются и переворачиваются придонными течениями и поэтому остаются на поверхности. Сейсмическая гипотеза предполагает встряхивание и переворачивание конкреций за счет сейсмических явлений.

Предполагались и другие гипотезы, связывающие, например, очистку конкреций со сползанием слоя осадков по наклонным плоскостям дна за счет силы тяжести. Высказывались даже предположения, что конкреции растут быстрее, чем осадки!

На глубине 1650 м, на уже отмершей стеклянной губке поселились лилии. Они поднялись повыше от дна, где сильнее течение и где больше питательных веществ. Гайот ИОАН, Тихий океан.

В 1983 г. советские ученые И. Н. Горяйнов, и Г. И. Горяйнова объяснили «непотопляемость» конкреций особым физическим свойством жидкого ила. Они считают, что жидкий ил обладает не только вязкими свойствами, но также и некоторой упругостью. Частицы ила, сцепленные между собой, образуют под конкрециями подобие упругой сетки. Она‑то и выталкивает конкреции на поверхность илового слоя. Приводятся расчеты, показывающие механизм взаимодействия конкреций с твердыми частицами жидких илов: уже при концентрации глинистых частиц в 0,5–1 % могут образовываться агрегаты в виде цепочек, постепенно образующие трехмерную сетку, которая обладает эластичными свойствами. Аналоги – полимеры, т. е. пластики с гибкими цепями молекул. Нижняя часть конкреции, лежащая на подобной сетке и несколько вдавливающая ее собственным весом, испытывает большее давление со стороны частиц сетки, чем верхняя часть. Ведь верхняя часть не касается сетки и подвержена только гидростатическому давлению. Вывод: невидимая сетка поддерживает конкреции над слоем ила.

Но не всегда конкреции лежат на поверхности слоя осадков. Некоторые все‑таки проваливаются в ил. Поэтому кое – где на дне океана имеется несколько слоев конкреций, иногда до четырех – пяти слоев.

Почему так происходит? Точно не известно. Может быть, это связано с высокой скоростью осадкообразования. Не везде в океане слой осадков увеличивается со скоростью 1 мм в тысячу лет. Есть районы, где в год прибавляется 1 см, а иногда – и 10 см осадков. Может быть, при такой большой нагрузке конкреции все‑таки притапливаются?

Возможно, погружение конкреций в ил связано с уменьшением упругости иловой сетки. Или полной потерей, исчезновением сетки? Такое может случиться, если слой ила почему‑либо затвердеет или подводное течение вымоет его из‑под конкреций. Вывод: пока ил вязкий, он поддерживает конкреции, а как затвердел, конкреции заносит новыми порциями ила. Все это не более чем гипотезы.

Не все океанологи согласны с описанным механизмом непотопляемости конкреций. Некоторые ученые думают, что они не тонут в слое ила благодаря тому, что их изредка встряхивает подъемная сила, вызванная гидродинамическим ускорением. Как теперь стало известно, оно может возникать благодаря турбулентности придонных потоков, образующихся на больших глубинах океана.

Гидротермы и климат Земли. Гидротермы выделяют большое количество углекислого газа. Он поступает в атмосферу из гидротермальных струй. Обогащение атмосферы углекислотой приводит к «парниковому» эффекту, что делает климат Земли более теплым и влажным. Повышенное содержание углекислого газа в атмосфере действует так же, как пластиковая пленка над парником. Через нее к Земле проходят лучи Солнца. А тепловые потери за счет собственного инфракрасного излучения Земли значительно уменьшаются, так как углекислота задерживает инфракрасные лучи. Поэтому на поверхности Земли становится теплее, как в парнике под пленкой.

Именно так было в эпоху кайнозоя, в период между ранним и средним эоценом, т. е. 55–45 млн. лет назад. В этот промежуток времени, в течение примерно 10 млн. лет, на Земле удерживался очень теплый и влажный климат. Он способствовал буйному развитию растительности.

Выделение больших количеств углекислоты в этот период американские ученые связывают с перестройкой срединно – океанических хребтов и других спрединговых центров, благодаря чему увеличилась гидротермальная активность. Как следствие – резко возросло выделение углекислого газа, возник глобальный «парниковый» эффект. Отмечены и другие периоды перестройки тектонических структур и вызванные этим изменения климата. Однако эти связи в других случаях прослеживаются менее четко. В наши дни выход углекислого газа в атмосферу за счет гидротерм составляет 14–2 2 % общего поступления. Эти цифры достаточно велики. Но не все ученые согласны с выводами американских ученых.

Углекислый газ в гидротермах образуется в результате химической реакции. Выделение его определяется реакцией обмена между ионами магния, содержащимися в соленой воде, и ионами кальция, вымываемыми из горячей базальтовой породы. Извлекаемые оттуда ионы кальция образуют СаСО₃ и выпадают в осадок – это мел. Одновременно выделяется углекислый газ, поступающий сначала в воду, а потом в атмосферу.