ILoveDiving.ru

Экспериментальная геология

Геологические исследования, выполнявшиеся акванавтами, в общем могут быть сгруппированы по нескольким основным направлениям. Во-первых, это изучение процессов осадконакопления и переноса осадков. Во-вторых — сбор проб и бурение дна с целью изучения структуры глубинных слоев дна. И, в-третьих, это оценка воздействия живых организмов, обитающих на поверхности и в толще дна, на структуру осадков. Естественно, что все эти исследования сопровождались съемкой батиметрической карты и геологической карты дна в районе погружения лаборатории.

По-видимому, наиболее тщательно процессы осадконакопления и переноса осадков изучались экипажами, работавшими по программе «Черномор».

Акванавты «Черномора», работая из года в год в течение семи лет на глубинах от 15 до 30 м, поставили и решили целую серию литодинамических задач. Ими был собран богатый материал по динамике рельефа и микрорельефа дна, аккумуляции и размыву обломочного материала, выполнено исследование механического состава взвесей и механической дифференциации осадков по профилю, определена эпюра скоростей придонных течений и интенсивности движения рыхлого материала по поверхности дна. За весь цикл многолетних исследований акванавты провели несколько повторяющихся циклов измерений, которые позволили составить достаточно достоверную картину летне-осенней литодинамической активности в районе Голубой бухты — типичного района северной части Черноморского побережья Кавказа.

Наблюдения за изучаемыми процессами велись на экспериментальных полигонах, оборудованных акванавтами на глубинах 10, 15, 20, 25 и 30 м.

Типичный геологический полигон «Черномора» выглядит следующим образом. На выбранном участке дна акванавты размечают квадрат с длиной стороны 20 м и делят его на более мелкие квадраты со стороной 5 м, получив тем самым сеть точек. Каждая точка фиксируется репером. Репер имеет вид стального прута длиной 1,75 м, на 0,75 м вбитого в грунт. На прут надет подвижный цилиндриче-’ ский каркас из тонкой проволоки. Каркас свободно опирается на поверхность дна и по мере размыва дна опускается в соответствии

с новым положением его поверхности. К каждому реперу прикреплена табличка с порядковым номером.

В центре каждого полигона были выложены монослоем квадратами с длиной стороны 1 м окрашенная красной краской галька, песок со светло-желтым люминофором и цельная ракуша. Кроме этого, в центре каждого полигона на стойках на высоте 20 см и 3 м от поверхности дна были установлены взвесесборники.

Геологический полигон на глубине 30 м был оборудован дополнительно мачтой длиной 6,5 м. На мачте на расстоянии 0,5, 1, 2, 3 и 4 м от дна были смонтированы взвесеуловители и автономные самописцы скорости и направления течений.

Анализ многочисленных измерений, проведенных экипажами подводной лаборатории «Черномор» на полигонах, и отобранных акванавтами проб дал возможность сделать целую серию очень важных для геологов и геоморфологов выводов.

Было обнаружено, что знакопеременные процессы — размыв осадков после сильных штормов и накопление материала после слабых штормов — происходят лишь на полигоне 10-метровой изобаты. Полоса дна с глубинами 15—20 м является зоной устойчивой аккумуляции обломочного материала, причем глубина максимального осадконакопления хотя и колеблется в зависимости от силы штормов, но не выходит за указанные изобаты. На глубинах 25 м и более накопление материала значительно слабее.

Результаты исследования процессов осадконакопления, основанные на измерении колебаний профиля дна на полигонах, подтвердились также показаниями взвесеуловителей, установленных на полигонах. За годовую экспозицию взвесеуловители на глубинах 10 и 15 м собрали слой оседающего на дно песка до 27 см толщиной, на глубине 20 м взвесеуловитель «поймал» 13 см песка и на глубине 25 м— всего 7,5 см. Исследования образцов грунта, взятых с шагом в 5 м на полигонах, показали, что механический состав грунта весьма изменчив. Даже соседние пробы сильно отличались друг от друга по распределению размеров слагающих грунт частиц. Акванавты отметили также, что на всех глубинах после сильных штормов на поверхности дна преобладают крупные частицы, а при тихой погоде или слабом волнении — средне- и мелкозернистый материал. Эти наблюдения имеют важное практическое значение: обнаруженные акванавтами резкие колебания в структуре поверхностных слоев осадков ставят под сомнение достоверность существующих методик грунтовых съемок с поверхности с помощью отбора единичных проб, используемых для составления крупномасштабной грунтовой карты в инженерно-гео-логических целях.

Геологические исследования, выполнявшиеся акванавтами «Черномора», сопровождались съемкой гидродинамического фона в при-

донных слоях воды с помощью измерителей скорости течения БПВ и датчиков скоростного напора. Показания датчиков, зарегистриро-ваннные в подводной лаборатории, говорят о том, что скорости потока воды в придонном слое 1—4 см весьма велики — до нескольких сантиметров в секунду, а их величина и направление пульсируют с частотами, близкими к частотам проходящих на проверхности волн. Было отмечено несколько случаев высокой — до 0,7 м/с — скорости течения в придонных слоях воды даже в штилевую погоду.

Воздействие на донные осадки придонных течений и «отзвуков» проходящих По поверхности волн — лишь одна из причин, вызывающих качественные и количественные изменения в процессах осадконакопления и в структуре осадков дна. Значительный интерес для геологов представляет и биогенное воздействие на осадки, влияние живых организмов, обитающих в придонных слоях воды, на поверхности дна и в его толще, на структуру дна.

Многочисленные примеры биогенного воздействия на поверхность и толщу осадков были известны и ранее. Так, питающаяся кораллами рыба-попугай переносит на большие расстояния значительное количество предварительно измельченного до размеров песчинки кораллового детрита. Другие рыбы и моллюски используют обломки кораллов и камни для устройства нор и укрытий, перенося их на расстояние до 9—12 м. Активно роющие дно беспозвоночные и черви приводят к нарушениям рельефа и структуры дна. Однако количественная сторона процессов биологической переработки поверхности и толщи дна ясна не была, и поэтому акванавты программы «Тектайт» решили изучить степень воздействия рифовой фауны на структуру дна.

Экипаж лаборатории организовал в районе избранного ими в качестве «подопытного» кораллового рифа полигон, который состоял из нескольких искусственно созданных акванавтами участков поверхности дна. Таким образом, подводная лаборатория «Тектайт» оказалась в центре сложно организованного геологического полигона с целой серией искусственных структур, размещенных в характерных точках близлежащих рифов. Регулярно наблюдая за этими искусственными структурами, акванавты сумели собрать большой количественный материал.

Для изучения биогенного переноса материала дна акванавты, применили окрашенный песок. В нескольких метрах от границы рифа они насыпали в виде конуса 500 г окрашенного красной флюоресцирующей краской песка. Металлический колышек отмечал центр конуса. На другом участке дна поперек рассекающего риф канала, имеющего уклон 1:9, была насыпана гряда из 1000 т окрашенного песка. Затем канал был частично засыпан обычным песком.

Через год акванавты отобрали пробы с заложенного ими экспериментального полигона. Оказалось, что на горизонтальных и наклонных участках биогенный перенос происходит по-разному.

На горизонтальных участках меченый песок распространялся во все стороны от центра его выкладки. Подобное распределение в условиях отсутствия течений показывает, что донные роющие и ползающие животные перемещают материал хаотически, случайно.

Рис. 23. На рыхлых грунтах пробы отбираются ручным пробоотборником.

На наклонных же участках, например в канале рифа, материал перемещается вниз по склону. Это вызвано тем, что при переработке материала дна бентосными животными частицы материала взвешиваются в воде и, оседая затем на дно под действием силы тяжести, смещаются вниз по склону. Пробы, взятые пробоотборником, показали, что за год поверхностный слой песка в канале сместился на расстояние около 50 см, а за это время через один только поверхностный слой толщиной 2 см по каналу шириной 2 м прошло от 10 до 20 л песка. Этот объем перемещенного донными организмами песка, конечно, невелик, но за более длительный срок вниз по каналу может пройти значительное количество материала.

На четырех участках дна, наиболее характерных для данного рифа, были насыпаны восемь рядов песчаных гряд, имитирующих волновую рябь, которая образуется на песчаном дне под действием волн и течений. Гряды имели высоту 5 см, длину 100 см и отстояли друг от друга на 20 см. Эти искусственные формы микрорельефа не подвергались воздействию волн на поверхности или придонных течений. Тем не менее в устье канала, рассекающего риф, гряды исчезли через 15 дней, а на остальных участках —в течение 24—35 дней. Исследователи склонны приписывать исчезновение признаков ряби активности живущих в толще песчаных грунтов роющих организмов или животных, ползающих по поверхности дна.

Таким образом, оценка наличия и силы придонных течений лишь по присутствию на дне волновой ряби может оказаться неточной. О гидродинамической активности района до некоторой степени позволяет судить положение на грунте пустых створок раковин. В тех местах, куда проникает волнение на поверхности или есть течения, раковины принимают наиболее устойчивое положение на дне — вогнутой стороной вниз. В спокойной воде раковины расположены хаотически, без преобладающей ориентации вогнутой стороны. обычно по положению створок раковин в древних отложениях судят об относительной «активности» моря в прошлом.

На четырех участках дна — двух в 2 м от рифа и двух в 6 м — акванавты выложили 120 пустых створок раковин. На двух участках — по одному из

каждой пары — раковины были расположены выпуклостью вверх, на двух других участках — выпуклостью вниз. Через 40 суток акванавты зафиксировали положение раковин. Обсчет результатов эксперимента показал, что большинство раковин — более 70% — лежали вогнутой стороной вверх, причем в основном это были крупные раковины, более круглые и более выпуклые. Около половины раковин вообще оказались под поверхностью дна. Следует отметить, что в течение всего времени эксперимента в районе работ практически отсутствовали течения и волны, и, следовательно, все изменения положения раковин могли объясняться только лишь деятельностью живых организмов, обитающих на дне. Эксперимент показал, что степень биогенного воздействия на положение раковин очень высока и этот фактор обязательно следует учитывать при определении гидродинамической активности района по положению створок раковин.

Другим важным признаком, часто используемым геологами при изучении процессов на морском дне, например для расчета скоростей осадконакопления в данном районе, является глубина захоронения в песчаном дне твердых обломков скал, кораллов и пр.

На каждом из экспериментальных участков акв навты выложили на поверхности дна по 22 обломка различных форм и размеров: от сфер диаметром около 4 см до плоской округлой гальки размера-, ми примерно 5X10 см. Через 32 дня положение каждого голыша было зафиксировано. Анализ положения обломков показал, что скорость захоронения их в песчаном дне весьма существенна. В среднем каждый камень погрузился в толщу дна на 2 см, а отдельные обломки — на 8 см. Акванавты отметили, что глубина захоронения не связана с размером и плотностью обломков, а зависит лишь от их формы и структуры самого дна. Плоские обломки уходят в дно быстрее; чем мельче частицы субстрата, образующего дно, тем быстрее идет захоронение.

В целом этот эксперимент, как и опыты с волновой рябью и ориентацией раковин на дне, показал, что при датировке слоев, расчете скоростей осадконакопления и пр. на основе анализа положения обломков в толще песчаного дна необходимо учитывать биогенное воздействие на глубину залегания обломка в толще дна. Как известно, сам факт наличия или отсутствия явно выраженных слоев в толще осадков дна может многое сказать геологу, в частности, например, подсказать ему силу и распределение штормов в изучаемой зоне, силу течений и пр. На тех же четырех участках дну была придана искусственная слоистая структура. Для этого акванавты отрыли котлован длиной 100 см и шириной 25 см и засыпали его четырьмя чередующимися слоями окрашенного песка толщиной 2 мм и местного, неокрашенного, толщиной 3—5 мм. Каждые 4 дня акванавты отбирали с участков дна с искусственной слоистой структурой монолиты песка размерами 5X15X15 см. Наблюдения показали, что верхние 5 мм осадков полностью перерабатываются донными организмами всего за 4 дня. Глубже скорость перемешивания слоев уменьшается, оставаясь тем не менее достаточно высокой. Следовательно, в районах высокой биологической активности делать какие-либо выводы, основываясь только лишь на отсутствии стратифицированности верхней части толщи дна, следует с крайней осторожностью.

В целом геологи программы «Тектайт» твердо установили, что обитающие на рифе организмы играют весьма существенную, если не главную, роль- в переносе, распределении и переработке отложений на морском дне, примыкающем к коралловому рифу.

Одна из классических задач морской геологии — изучение глубинной структуры дна с отбором образцов для анализа их в лабораторных условиях. Внешне в задаче получения образца донных пород нет ничего сложного — в интересующий геологов район приходит буровое судно или платформа и бурит дно, поднимая на поверхность керны пород, подстилающих дно океана. Эта операция многократно отработана при разведке и добыче нефти на морских нефтепромыслах, и сам процесс бурения в пределах глубин шельфа теперь уже не составляет проблемы.

Однако эксплуатационная стоимость буровых судов и платформ весьма велика, и каждая скважина на морском дне стоит огромных затрат. При добыче нефти это оправдано — нефть окупает все расходы. Для научных же исследований подобные буровые работы пока чрезмерная роскошь. Существует лишь одно буровое судно, работа которого носит сугубо исследовательский характер,— это «Гломар Челленджер». Но эксплуатация его обходится настолько дорого, что работа его финансируется объединенными усилиями нескольких стран.

Есть способ, который позволяет решить проблему бурения дна сравнительно легко и эффективно,— это использование буровых станков, устанавливаемых на дне и обслуживаемых в процессе бурения акванавтами. Первые попытки бурения непосредственно в воде были сделаны в 1967 г. акванавтами программы «Ихтиандр» (СССР). Позднее, в 1969 г., работа с подводной буровой установкой «ихтиандровцев», созданной в Донецком государственном университете, была включена в программу «Черномор» Института океанологии Академии наук СССР. С помощью буровой установки была пробурена скважина глубиной 11,2 м и взяты образцы пород, сквозь которые шла скважина.

Буровой станок собран на базе наземного бурового станка ГП-1. В качестве привода буровой штанги использован пневмодвигатель ПТТТР-12 Все агрегаты смонтированы на трехопорной раме, устанавливаемой на дне. Вес подводной буровой установки в собранном виде составляет 750 кг; рабочая глубина погружения до 30 м; глубина бурения до 20 м; диаметр скважины 76 мм. При испытаниях подводной буровой установки акванавты «Черномора» в короткий срок пробурили скважину длиной 11,2 м. В процессе бурения были получены керны с глубин 5—6; 8—10,5; 10,5—10,9; 10,9—11,2 м. В 1974 г., работая по программе «Шельф-Черномор», акванавты пробурили несколько скважин в районе подводной лаборатории на глубинах моря более 20 м. В этом эксперименте использовался буровой станок, работающий по принципу вибрационного бурения; он создан в лаборатории подводных исследований Варненского института рыбного хозяйства и океанографии. Установка представляет собой раму высотой 3 м, имеющую четыре опоры, с помощью которых она устанавливается на дне. Вдоль рамы по направляющим перемещается вибраторный блок, закрепленный на верхнем конце буровой колонны. В процессе работы вибратора его колебания передаются буровой колонне, которая под действием этих колебаний и собственного веса уходит в грунт. Диаметр буровой колонны 65 мм, длина 2 м. Надставляя колонны вручную по мере их заглубления в дно, можно довести глубину скважины до 25 м на песчаных грунтах.

Установка потребляет 3 кВт электроэнергии и обслуживается одним человеком. Переносить ее с места на место также под силу одно-’ му человеку. За время работы экипажа «Шельф-Черномор» акванавты пробурили скважины в трех различных точках дна в районе лаборатории и взяли керны общей длиной 18 м.

В 1972 г. акванавты программы «ФЛАЙР» произвели бурение тела кораллового рифа. Используя как базу для работы подводную лабораторию «Эдальхаб», акванавты осмотрели коралловый риф и выбрали интересующее их место. Это был естественный канал, рассекающий коралловый риф. С помощью пневмогидравлического грун-тососа акванавты удалили толстый слой песка, лежащего на дне канала, и обнажили тело рифа. Затем акванавты установили на дне гидравлический буровой станок с алмазным долотом и начали бурение рифа. За несколько дней работы они пробурили в нем скважину глубиной 1,8 м; скорость бурения в среднем достигала 2,5 см/ч.

Исследуя полученные керны, геологи пришли к выводу, что несколько тысячелетий назад риф находился на глубине 1,5—3 м от поверхности воды; сейчас он находится на глубине 15 м.

Опубликовано:
27.07.12

Категория - Подводные лаборатории