Рельеф вулканических гор ложа океана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.25, доктор географических наук Жулёва, Елена Викторовна

• Жулёва, Елена Викторовна
• доктор географических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор географических наук Жулёва, Елена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОДВОДНЫЕ ГОРЫ ЛОЖА ОКЕАНА КАК ОБЪЕКТ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ.

1.1. Состояние проблемы изучения вулканических гор ложа океана.

1.2. Подводная фотография - эффективный метод крупномасштабных исследований рельефа подводных гор.

1.3. Общая характеристика вулканических гор ложа океанов.

1.4. Основы построения концепции формирования рельефа вулканических гор с использованием метода последовательного приближения.

Выводы.'.-.

ГЛАВА 2. ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОБСТАНОВКИ ОБРАЗОВАНИЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОР ЛОЖА ОКЕАНА.

2.1. Дивергентные границы литосферных плит.

2.2. Трансформные разломы.

2.3. "Горячие точки".

2.4. Внутриплитовые ситуации "pull-apart".

Выводы.

ГЛАВА 3. ГЛОБАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И

РАЗМЕЩЕНИЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОР ЛОЖА ОКЕАНА.

3.1 Каталог геолого-геоморфологических данных о вулканических горах как основа количественного анализа.

3.2. История формирования вулканических гор.

3.3. Основные пространственно-возрастные характеристики расположения вулканических гор на ложе океана.

3.4. Размеры вулканических гор ложа океана и их связь с мощностью литосферы.

Выводы.

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРНЫЕ ЧЕРТЫ МОРФОЛОГИИ И ЭВОЛЮЦИИ

ОКЕАНИЧЕСКИХ МАССИВОВ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОР.

4.1. Рельеф и геологическое строение океанических горных массивов ложа Тихого океана.

4.2. Рельеф и геологическое строение архипелагов Азорских и Канарских островов Атлантического океана.

4.3. Рельеф и геологическое строение вулканических гор плато Кергелен и Маскаренского хребта Индийского океана.

4.4. Сравнительный анализ формирования и эволюции рельефа океанических массивов вулканических гор.

Выводы.

ГЛАВА 5. МИКРОРЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ И МОРФОЛОГИЯ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ПОДВОДНЫХ ГОР (НА ПРИМЕРЕ ГАЙОТОВ МАГЕЛЛАНОВЫХ ГОР).

5.1. Методические основы использования подводной фотографии в изучении микрорельефа подводных гор.

5.2. Морфология и геологическое строение гайотов системы Магеллановых гор.

5.3. Фациальная изменчивость и железомарганцевые образования гайота ИОАН.

5.4. Микрорельеф и железомарганцевые образования глубоководных участков склона гайота Ита-Майтаи.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рельеф вулканических гор ложа океана»

Актуальность исследований. Вулканические горы широко распространены на акватории Мирового океана. Они являются представительной формой рельефа океанского дна и важной составляющей природного комплекса океанов. Интенсивность их освоения непрерывно возрастает по мере развития общества и технического прогресса. С вулканическими горами океанов связаны многие стороны жизнедеятельности современной цивилизации. Планирование и проведение экологических, поисковых, инженерно-геологических и любых иных работ на подводных горах и островах требует большого объема знаний об их расположении, размерах, строении, морфодинамике, о характере донных ландшафтов. Поэтому изучение рельефа вулканических гор ложа океана представляет собой актуальную задачу исключительной важности.

Особую актуальность проблема изучения вулканических гор ложа океана приобретает в связи с тем, что океанский вулканизм, в ходе которого формируются подводные вулканы и вулканические острова, является грозным природным явлением, оказывающим сильное воздействие на природную среду. Так, при образовании подводных вулканов взрывы газов в условиях, когда расширяющаяся газовая камера сплошь ограничена водной средой, могут порождать гигантские волны цунами, опустошающие побережье и представляющие катастрофическую опасность для его жителей. В случае образования вулканических островов, в условиях перехода подводного вулканизма в наземный, характерной особенностью извержений становится интенсивное пеплообразование. Этот процесс оказывает существенное влияние на экологическую обстановку: мелкая пыль эруптивных облаков может на длительный срок ухудшить прозрачность стратосферы и повлиять не только на природные условия региона, но и на климат значительной части планеты (Иванов, Скрипко, Ясаманов, 1991). Исследование пространственных и возрастных особенностей формирования океанских вулканов является важным этапом разработки системы прогноза этого процесса и предотвращения его губительных последствий.

Информация об особенностях расположения, обилии и разнообразии вулканических гор океанов складывается постепенно, начиная со второй половины XIX века, в результате съемок с гидрографических и океанографических судов, рыбопромысловых работ, в ходе специализированных рейсов научно-исследовательских судов, и постоянно расширяется по мере развития технических средств и методов изучения океанских глубин. На батиметрических картах возникают новые постройки и уточняются морфометрические характеристики уже известных. Отдельные подводные горы становятся объектами детальных полигонных исследований, на основании которых формируется комплекс подробных морфологических и геолого-геофизических данных об их строении.

Океанский вулканизм проявляется в формировании как спорадически развитых изолированных вулканических гор, так и в образовании их крупных скоплений, связанных с продолжительной вулканической деятельностью, и имеет большое значение для создания глобальных структур и океанической литосферы в целом. В круг настоящего исследования включены вулканические горы ложа океанов и срединно-океанических хребтов. Наибольший интерес представляют горы океанических массивов, на примере которых можно составить картину их формирования, изменения в динамике и определить эволюцию.

Вопросы строения и эволюции рельефа вулканических гор являются составной частью проблемы происхождения и развития рельефа дна океана. Теория тектоники литосферных плит поставила в геоморфологии новые вопросы о развитии структуры земной поверхности (Герасимов, Живаго, Коржуев, 1974). Ключевыми позициями, определяющими особенности геоморфологического изучения вулканических гор ложа океана являются: формирование и эволюция морфоструктуры дна в условиях непрерывного спрединга и горизонтального перемещения литосферных плит; повышенная интенсивность эндогенного режима, что приводит к активному формированию и широкому распространению структур вулканического происхождения; развитие морфоструктур дна океана в условиях ограниченного воздействия сравнительно однообразных экзогенных процессов и в связи с этим достаточно долгое сохранение первичной структуры рельефа.

Накопление большого объема разномасштабных сведений о рельефе таких труднодоступных форм, какими являются подводные горы ложа океана, требует решения проблемы сопряжения и комплексного использования имеющихся фактических материалов. Однако до сих пор для подводных гор не был проведен систематизированный анализ морфологических характеристик разного таксономического ранга, который позволил бы связать с разномасштабными параметрами их рельефа глобальные, региональные и локальные особенности рельефа ложа океана. Основной проблемой геоморфологического исследования остается создание единой морфологической концепции, построенной на анализе различных характеристик рельефа вулканических гор и выявлении механизмов становления многообразия их внешнего облика.

В целях проведения историко-генетического анализа образования морфологических элементов разных таксономических рангов, основанного на сохранении и использовании ценной информации подводных исследований различной степени детальности, в настоящей работе обосновывается применение метода последовательного приближения, разработанного И.П. Герасимовым (1967) для исследования рельефа материков.

Основная цель работы - на основе систематизации геолого-геоморфологической, геофизической и литологической информации создание концепции формирования рельефа вулканических гор ложа океана с использованием метода последовательного приближения.

Задачи работы. В работе решались следующие задачи: 1. Выполнить сбор информации из литературных и картографических источников для создания каталога геолого-геоморфологических данных о вулканических горах ложа Мирового океана.

2. Провести обзор становления методов изучения рельефа подводных гор и разработать новый методический подход к систематизации результатов разномасштабных исследований рельефа подводных гор, основанный на применении метода последовательного приближения.

3. На основе количественного анализа фактических материалов установить глобальные закономерности образования и расположения вулканических гор на ложе океана.

4. Путем сравнительного анализа геолого-геоморфологического строения океанических горных массивов выявить общие черты рельефообразования вулканических гор, сложенных легкоплавкими базальтами в ходе развития приповерхностных магматических источников, и построить логическую модель их формирования и эволюции.

5. Создать способ крупномасштабного фациального картографирования донной поверхности по результатам дешифрирования подводных фотографий.

6. На конкретных примерах исследовать особенности микрорельефа склонов и морфологии железомарганцевых образований гайотов с восстановлением палеогеографических условий их развития.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В результате количественного анализа морфологических параметров вулканических гор и геолого-геофизических данных о строении океанической коры установлены новые пространственные и возрастные закономерности их формирования и размещения, в числе которых выделены: этапы периодической активизации процесса образования вулканических гор ложа океана в позднем мезозое - кайнозое; смена ведущих геодинамических условий формирования вулканических гор в геологической истории океанов;

- характерные особенности распределения вулканических гор на океанической коре разного возраста, в пределах различных морфоструктур.

2. Выявлены новые параметры закономерного изменения размеров вулканов, образующихся на океанической литосфере разного возраста и мощности.

3. Предложена модель формирования сводово-вулканических поднятий, характерных для морфоструктуры океанических горных массивов в пределах ложа океана и срединно-океанических хребтов.

4. Впервые проведен сравнительный анализ морфоструктуры океанических горных массивов, связанных с областями современного вулканизма в разных океанах, и определены:

- ведущие факторы и закономерности формирования пространственно-возрастной преемственности эволюции их рельефа;

- характерные черты зависимости геоморфологического развития океанических горных массивов от активности проявления магматизма.

5. Для исследования микрорельефа и ландшафтов подводных гор разработана оригинальная методика построения фациальных профилей и карт с фотолегендой на основе дешифрирования подводпых фотографий донной поверхности.

6. Применение новой методики впервые позволило на примере гайотов Ита-Майтаи и ИОАН (Магеллановы горы, Тихий океан) проанализировать особенности микрорельефа, проявление основных рельефообразующих процессов в формировании морфоскульптуры склонов и исследовать детальную морфологию железомарганцевых образований.

7. Разработанная концепция решает научную проблему построения обобщенной картины рельефа подводных вулканических гор ложа океана с установлением геодинамических факторов и рельефообразующих процессов, играющих ведущую роль в формировании характерных морфологических особенностей различных таксономических рангов.

Предметом защиты диссертационной работы является концепция формирования и эволюции рельефа вулканических гор ложа океана.

Защищаемые положения.

1. Абсолютное большинство вулканических гор ложа океана образуется на океанической литосфере, возраст которой не превышает 90 млн. лет, мощностью до 70 км. История океанского вулканизма характеризуется сменой ведущих геодинамических обстановок, что проявляется в сокращении активности формирования вулканических гор на . дивергентных и трансформных границах плит в пределах срединно-океанических хребтов на литосфере возрастом менее 40 млн. лет при усилении внутриплитового вулканизма на литосфере возрастом от 70 до 90 млн. лет по мере увеличения геологического возраста центров спрединга.

2. Объемы горообразования на ложе океана непосредственно связаны с возрастом (мощностью) литосферы и распределением размеров вулканических гор, образующихся в ходе вертикального массопереноса на разновозрастных участках океанского дна.

3. Вулканические горы океанических горных массивов проходят цикл геоморфологического развития от острова до подводной горы (гайота) в условиях пространственно-возрастной преемственности эволюции их рельефа при постепенном изостатическом проседании на фоне погружения несущей литосферной плиты в процессе удаления от области активного вулканизма.

4. Типичное для морфоструктуры океанических горных массивов сводово-вулканическое поднятие образуется из системы магматических источников в области развития мантийного плюма в результате слияния оснований растущих вулканических островов с отмирающими подводными вулканами, а его дальнейшее выравнивание определяется процессами аккумуляции рыхлых осадков.

5. Эффективным способом изучения микрорельефа и ландшафтов подводных гор является анализ фациальных профилей и карт с фотолегендой, построенных по результатам дешифрирования подводных фотографий донной поверхности. При исследовании железомарганцевых образований (ЖМО) подводных гор новый способ обеспечивает: проведение морфологической типизации ЖМО; картографирование площадей развития ЖМО различных типов; выделение перспективных участков поиска ЖМО по геоморфологическим и фациальным критериям.

6. Использование метода последовательного приближения в исследовании рельефа подводных гор позволяет на основе выявления механизмов становления облика разномасштабных морфологических элементов проводить их историко-генетический анализ на глобальном, региональном и локальном уровнях.

Практическая значимость работы:

- результаты исследований используются в работах Лаборатории геофизических полей Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН;

- каталог геолого-геоморфологических данных о подводных горах Мирового океана был составлен по заказу Московского Геологоразведочного Института и используется в проводимых там учебных и научных работах;

- проведенные оценки тенденций эволюции рельефа вулканических гор ложа океана могут быть учтены при составлении долгосрочных прогнозов их геоморфологического развития, необходимых при поиске полезных ископаемых и для хозяйственного использования этих территорий;

- результаты исследований пространственно-временных характеристик формирования и эволюции вулканических гор, и особенностей развития на них ЖМО образований входят в рабочие программы Министерства природных ресурсов РФ;

- разработанная методика интерпретации результатов дешифрирования подводных фотографий в виде фациальных профилей и карт с фотолегендой является эффективным способом представления материалов обработки видеоизображений донной поверхности и применима при крупномасштабном картировании как подводных гор так и других форм рельефа дна океана;

- полученные новые сведения о детальном строении и характере распространения ЖМО на гайотах наращивают фактическую основу знаний и расширяют поисковую базу этого типа месторождений полезных ископаемых дна океана, а также увеличивают надежность их изучения при проведении дистанционных исследований донной поверхности;

- предложенный подход к исследованию рельефа дна океана методом последовательного приближения, продемонстрированный на примере подводных гор, может быть использован для решения проблемы систематизации и обобщения разномасштабных результатов изучения различных форм донного рельефа; созданная концепция формирования и эволюции рельефа вулканических гор ложа океана может быть внедрена в учебный процесс ВУЗов при подготовке специалистов географов, геологов, экологов, океанологов.

Использованные материалы и личный вклад автора.

Автором создан каталог геолого-геоморфологической информации о 267 вулканических горах дна Мирового океана, составленный на основании обобщения большого объема литературных материалов, а также результатов непосредственного изучения подводных гор в рейсах ИО РАН. Эти работы были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований: гранты 96-05-6441 б, 96-05-64072, 98-05-64228.

На основании обобщения и анализа большого объема литературных данных и первичных картографических материалов (Smith W.H. and D.T. Sandwell Global seafloor topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Soundings, submitted to Science, April 7, 1997) автором проведена сравнительная характеристика геолого-геоморфологического строения океанических массивов вулканических гор разных океанов. Работа этого направления проводилась при финансовой поддержке РФФИ: грант 02-0564247.

Для изучения микрорельефа и рудных образований подводных гор разработана оригинальная методика интерпретации результатов дешифрирования подводных снимков в виде фациальных профилей и карт с фотолегендой. С использованием этой методики были обработаны подводные фотографии, полученные фотоустановкой ПФ-69 на гайотах ИОАН и Ита-Майтаи из системы Магеллановых подводных гор Тихого океана. Комплексная обработка всей совокупности снимков фотопрофилей была осуществлена впервые, проведена лично автором и легла в основу крупномасштабного фациального исследования гайотов. Часть работ по этой теме была проведена в рамках Госконтракта "Геохимия и рудогенез океанических плит вне срединно-океанических хребтов".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 5-ой и 7-ой Всесоюзный школах морской геологии (Москва, 1981, 1986); II Всесоюзном съезде океанологов (Севастополь, 1982); IV Всесоюзной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана" (Владивосток, 1983); 2-ом Всесоюзном совещании по морской геологии "Современные методы морских геологических исследований" (Москва, 1987); 6-ой Межведомственной конференции по новейшим достижениям в морской геологии (Санкт - Петербург, 1994); Международной конференции «Палеогеографические и геодинамические условия образования вулканогенно-осадочных месторождений» (Миасс, 1997); 11-ой, 12-ой, 13-ой, 14-ой и 15-ой Международных школах морской геологии (Москва, 1994, 1997, 1999, 2001, 2003). Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях Рабочей группы «Геоморфология морского дна» Научного совета РАН по проблемам Мирового океана (Секция геологии) (2003,2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, из них 2 монографии, 8 статей в рецензируемых журналах, 15 статей в тематических сборниках и трудах конференций, 3 статьи депонированы в ВИНИТИ. Основное содержание диссертационной работы изложено в монографиях: Жулёва Е.В. «Геоморфология вулканических гор ложа океана» (2004) и Богданов Ю.А., Жулёва Е.В. и др. «Атлас подводных фотографий Красноморского рифта» (1983).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 445 наименований и Приложения. В Приложении представлен Каталог данных о вулканических горах ложа океана Объем работы 289 страниц, включая 55 рисунков и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геоморфология и эволюционная география», Жулёва, Елена Викторовна

Выводы.

1. Для срединно-океанических хребтов характерны небольшие вулканические горы высотой в сотни метров, поверхность которых сложена хорошо сформированными лавовыми потоками разнообразной формы.

2. В трансформных разломах образуются крупные вулканы центрального типа, представляющие собой одиночные сооружения на поперечных и приразломных хребтах.

3. Вулканизм «горячих точек» формирует на ложе океана цепи гор, для которых характерно постепенное увеличение возраста по мере удаления от области современного вулканизма.

4. Внутриплитовый вулканизм, рассмотренный с точки зрения фрактальной дискретности литосферы, пока не получил достаточного морфологического обоснования, хотя по мнению разработчиков модели образования вулканических структур по типу "pull-apart", она может объяснить формирование многих крупных магматических провинций океанского дна.

5. Формирование вулканов в специфических геодинамических ситуациях (тройные соединения литосферных плит, области перескока осей спрединга, области функционирования «горячей точки» в пределах срединно-океанических хребтов) имеет ограниченное распространение и не участвует в массовом горообразовании.

ГЛАВА 3. ГЛОБАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗМЕЩЕНИЯ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОР ЛОЖА ОКЕАНА.

С математической точки зрения исследование пространственно-возрастного распределения вулканических построек на ложе океана является сложной проблемой. Математический аппарат исследования функциональных зависимостей разработан достаточно хорошо, но он предполагает известными аналитические зависимости между рассматриваемыми параметрами. Однако в исследуемой области подобные зависимости не установлены. Исходя из этого, анализ результатов, полученных с использованием количественных методов обработки данных, проводится, в основном, на качественном уровне, иными словами, на основе количественного анализа делаются качественные выводы.

3.1. Каталог геолого-геоморфологических данных о вулканических горах как основа количественного анализа.

Объем фактических данных по подводным горам постоянно увеличивается. И к настоящему времени накопилось достаточно много геолого-геофизической и геоморфологической информации, которая может служить основой для количественного анализа и обобщения данных о рельефе вулканических гор.

Для проведения таких работ составлен электронный каталог данных о внутриплитовых вулканических горах Мирового океана (см. Приложение). На этапе концептуального моделирования основной целью является обеспечение обобщения наибольшего количества фактических данных, которые могут быть использованы в геоморфологическом исследовании подводных гор.

В составленный каталог включены доступные сведения из Отчетов по специализированным рейсам научно-исследовательских судов Института океанологии РАН, изданных батиметрических карт и опубликованной литературы по геолого-геофизическим исследованиям дна океана.

Компьютерная версия каталога реализована в программе Excel. Она построена таким образом, что каталог может пополняться новыми данными по мере их поступления, и в нем обеспечена полная защищенность данных от изменений и дополнений, вносимых в систему хранения.

Процесс моделирования каталога включил в себя определение элементов описания данных, которые принято называть метаданными (meta-data), то есть «данными о данных» («Базы данных.», 2000). Основными параметрами метаданных составленной системы являются названия, типы, размеры, единицы измерения элементов данных, а также накладываемые на данные ограничения поддержки целостности.

Исходя из поставленной цели, каталог организован следующим образом.

A. Порядковый номер

B. Название

C. Международное название

D. Форма рельефа

E. Географическая широта

F. Географическая долгота

G. Глубина вершины

H. Глубина подножья

I. Морфоструктурное положение

J. Состав пород

К. Возраст

L. Метод определения возраста

М. Полезные ископаемые

N. Возраст несущей литосферы

О. Геолого-геофизическая изученность

Список литературы диссертационного исследования доктор географических наук Жулёва, Елена Викторовна, 2006 год

1. Приводится название вулканической постройки на русском языке.

2. C. Международное название.

3. В качестве основных форм рельефа, образованных вулканическими горами, выделены острова, атоллы, гайоты, подводные горы, банки.1. E. Географическая широта.

4. Фиксируется в градусах. Северная широта имеет положительное значение, южная отрицательное.

5. F. Географическая долгота.

6. Фиксируется в градусах. Восточная долгота имеет положительное значение, западная отрицательное.1. G. Глубина вершины.

7. Приводится «видимая» батиметрическая глубина подножья подводной горы в метрах.

8. Морфоструктурное положение.

9. Данные о составе слагающих пород получаются главным образом в результате полигонных геолого-геофизических работ и глубоководного бурения на подводных горах. Были использованы литературные данные и материалы из отчетов DSDP.

10. Измеряется в миллионах лет.

11. Метод определения возраста.

12. N. Возраст несущей литосферы.

13. Измеряется в миллионах лет. Определение этого параметра проводится на основе сопоставления географического положения вулканической постройки с рисунком линейных магнитных аномалий, либо с данными глубоководного бурения.

14. О. Геолого-геофизическая изученность.

15. В этой графе перечисляются основные морфометрические и геолого-геофизические работы, которые проводились на рассматриваемой вулканической постройке, и результаты которых можно найти в литературе, использованной при составлении каталога.

16. В библиографии даются ссылки на литературные источники, из которых была взята составляющая каталог информация. Основными литературными источниками являются статьи из периодических изданий, монографии и

17. Отчеты, представляющие результаты специализированных проектов, посвященных геолого-геофизическому изучению подводных гор.

18. Каталог сопровождается списком использованной литературы, включающим в себя 84 наименования.

19. История формирования вулканических гор.

20. Принимая во внимание геодинамические обстановки формирования вулканических гор ложа океана, в количественный анализ были включены100 -1 90 -80 -70 ■ 6050 -40 -30 ■ 20100 -1. Тихий океан Атлантическийокеан

21. Индийский В среднем океан по океанам3 1

22. Для определения, насколько активно внутриплитовый вулканизм участвует в формировании рельефа ложа океана на протяжении истории его развития рассмотрено, какое количество вулканов образовалось в разное время (Брусиловский, Жулёва, 1998).

23. Обнаруживается неравномерное формирование океанских вулканов во времени и существование некоторой периодичности в протекании этого процесса в позднем мезозое и кайнозое (рис. 12).

24. Можно выделить три этапа активизации подводного вулканизма. Первый, наиболее ранний этап выделяется в позднем мелу, в период 100-70 млн. лет.о. о