Субмаринные воды
Субмаринные
воды
Субмаринные воды, распространенные
под морями, океанами и крупными озерами (в последнем случае эти воды правильнее
называть более широким термином «субаквальные воды», т.е. в точном переводе
«подводные воды»). Итак, воды подземной гидросферы по условиям их
распространения и залегания разделяются на подземные воды суши, которые сверху
имеют ненасыщенную зону и тесно связаны с атмосферой, и субаквальные подземные
воды, развитые под дном морей и крупных озер и гидравлически связанные с водами
этих водоемов. Термин «субмаринные источники» используется для описания
источников, разгрузка которых происходит ниже уровня моря в шельфовой зоне.
Обнаружить их можно по характерному вскипанию воды на поверхности моря. Роль их
бывает настолько велика, что они могут уменьшать солёность морской воды. Как
отмечал Р.А. Кохоут, «субмаринные источники, этот чудный феномен природы,
является до сих пор мало изученным процессом береговой гидрологии во всём
мире».
Наиболее распространенный вид
субаквальных вод - это субмаринные воды, условия формирования, распространения
и движения которых во многом определяются их взаимосвязью с морскими водами.
Генетически субмаринные воды подразделяются на инфильтрационные, формирующиеся
на суше за счет атмосферных осадков и поверхностного стока, седиментационные
образующиеся непосредственно в пределах акватории а процессе накопления осадков
и их последующих преобразований, и ювенильные воды, образующиеся за счет
дегазации верхней мантии. К необходимости изучения су6маринных подземных вод и
подземного водообмена суши и моря пришли почти одновременно и независимо друг
от друга гидрологи и гидрогеологи.
Источники, вызванные разгрузкой
трещинно-жильных вод, приурочены обычно к системам крупных тектонических
нарушений в изверженных и метаморфических породах. Они проявляются как на суше,
так и в прибрежной части моря. Так, в Крыму на северо-западном склоне горы
Аюдаг выявлены три источника, расположенные на глубине 6 и 8 м. Вблизи
северо-западного побережья острова Сицилия установлены субмаринные источники,
приуроченные к толще доломитов и доломитизированных известняков. Все источники
расположены на глубине до 10 м.
Субмаринные источники привлекали
внимание людей с давних времён. Более 2000 лет назад финикийцы построили
коллекторную систему от субмаринного источника, который обеспечивал пресной
водой г. Амрит. Древнеримский философ и поэт Лукреций в I; в. до н.э. в работе «О природе
вещей» описывал «вскипание» воды на поверхности моря, а Плиний отмечал
существование значительного числа субмаринных источников у берегов Турции,
Сирии и южного побережья Испании (залив Кадис).
Несмотря на то, что о существовании
«подводных» источников было известно давно, их детальное изучение началось
только в XX в.
Где и как формируются
субмаринные источники?
В некоторых районах со сравнительно
невысоко поднятыми областями питания на подводных склонах функционирует большое
число субмаринных источников. К ним относится п-ов Флорида, гипсометрические
отметки которого не превышают 100 м. Активная субмаринная разгрузка здесь
обеспечивается повсеместным развитием закарстованных известняков, большим
количеством осадков (1200-1400 мм/год) и равнинным рельефом с обширными
заболоченными участками, практически исключающим поверхностный сток.
Аналогичные условия разгрузки
наблюдаются на п-ове Юкатан, представляющем собой низменную равнину, и только
на юго-востоке небольшой участок занимают горы Майя. Площадь распространения
известняков составляет около 100 тыс. км2 при общей площади полуострова 180
тыс. км2 и длине береговой линии 1000 км. На прибрежных песчаных островах
пресная вода залегает в виде линз на солёной морской воде.
По данным американских специалистов,
практически на всём восточном побережье США происходит подземный сток в Атлантический
океан и Мексиканский залив. Только в одном месте о. Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк)
подземный сток в океан оценивается в 25 млн м3/год (немного меньше 1 м3/с).
В этой части шельфа на расстоянии 37 км от берега (напротив устья р. Делавер)
скважиной вскрыты подземные воды, обладающие значительным напором.
В 1966 г. с помощью батискафа на
плато Блейк в 200 км от берега на глубине 510 м (южнее Саванны) была обнаружена
50-метровая депрессия на дне моря, заполненная водой с температурой на 2.5°С
ниже температуры окружающей морской воды. Эта аномалия связана с разгрузкой
подземных вод.
Большое развитие субмаринные
источники получили на подводных склонах островных систем с ярко выраженным
горным рельефом (Гавайские, Филиппинские, Большие Антильские о-ва, Большой
Зондский и Малый Зондский архипелаги).
Аэрофотоснимок южного берега о.
Ямайки. Светлые участки овальной формы - субмаринные выходы подземных вод.
Один из наиболее крупных в мире
подобных источников расположен у берегов о. Ямайка на расстоянии 1600 м от
берега. Он «пробивается» к поверхности моря с глубины 256 м и представляет
собой целую пресноводную реку с расходом 43 м3/с.
Богато подводными выходами подземных
вод Средиземное море, где субмаринные источники связаны с трещинами и
карстовыми каналами в горных породах. В Эгейском море вблизи юго-восточного
побережья Греции обнаружен источник пресной воды с большим расходом, а у
берегов Адриатического моря их насчитывается около 700.
В Средиземном море известны
источники на значительных глубинах: у г. Канны - на глубине 165 м, в Сан-Ремо -
190 м, в заливе Святого Мартина - 700 м. Вблизи северо-западного побережья о.
Сицилия установлены источники, связанные с толщей доломитов и
доломитизированных известняков.
Выходы субмаринных источников
нередко столь значительны, что образуют целые пресноводные потоки. Такой поток
среди солёных вод обнаружен в устье р. Роны. Подобная пресноводная «река» течёт
и в Генуэзском заливе.
Наиболее детальные исследования
субмаринных источников выполнены у южного побережья Франции, между городами
Марсель и Кассис. Ещё в 1964 г. Бюро геологических и горных исследований и
Водное общество Марселя создали специальную научно-исследовательскую
организацию для изучения наиболее крупных источников Порт-Миу и Бестуан и
выяснения возможности их эксплуатации. Эти субмаринные источники приурочены к
закарстованным известнякам мелового возраста, которые образуют моноклиналь,
наклоненную в сторону моря. Аквалангисты, исследовавшие карстовые галереи
Порт-Миу, достигли глубины 45 м и по каналам проникли в глубь материка на
расстояние более 1 км. Здесь были установлены измерительные пункты,
оборудованные датчиками скорости течения, манометрами, резистивиметрами,
отобраны пробы воды и грунта, проведены опыты с красящим веществом
(флуорисценом), позволившие определить направление и скорость движения
фильтрационного потока, выполнены геофизические эксперименты. В карстовых
полостях происходит расслоение водной массы: на более низких отметках залегает
солёная морская вода, сверху - пресная подземная, обладающая меньшим удельным
весом. Скорость продвижения солёной морской воды в глубь галереи обратно
пропорциональна величине напоров разгружающихся пресных подземных вод. Величина
этого напора, в свою очередь, определяет расход потока пресных субмаринных вод,
который движется в сторону моря по поверхности более плотных морских вод. На
равновесие между пресной и солёной водой влияют напорный градиент пресного
потока и колебание уровня моря, соотношение плотностей пресной и солёной воды и
разность их температур, способствующие процессам диффузии.
Полученные результаты исследований
использовались при проектировании и строительстве бетонной плотины на пути
проникновения морской воды в глубь материка через главную карстовую галерею.
Плотина, построенная в самой глубокой части карстовой галереи (примерно в 500 м
от её выхода в море), позволила осуществлять постоянные измерения скорости
потока разгружающихся подземных вод, следить за потерями напора вдоль карстовой
галереи, предотвращать внедрение морских вод и выявлять оптимальные условия
эксплуатации пресных подземных вод для водоснабжения населения.
Подобные «бугры вскипания»
расположены на расстоянии 100-150 м от берега. Это проявления на поверхности
моря пресных карстовых источников с местным названием «репруа», расположенных
на глубинах 5-10 м.
Источники, вызванные разгрузкой
трещинно-жильных вод, приурочены обычно к системам крупных тектонических
нарушений в извержённых и метаморфических породах. Они выходят как на суше, так
и в прибрежной части моря. В Крыму, на северо-западном склоне горы Аюдаг,
обнаружены три источника, расположенные на глубине 6 и 8 м.
А.И. Коротков с соавторами описывают
гидрогеологические условия разгрузки подземных вод на островах Бахрейна в
Персидском заливе. В прибрежной зоне островов выходит большое количество
субмаринных источников с солоноватой водой (общая минерализация около 4 г/л),
область питания которых находится на материке в районе Саудовской Аравии. По
мнению исследователей, подземные воды проделывают путь более 100 км под морским
дном, сохраняя достаточный напор для разгрузки в виде источников.
Несколько лет назад в одной из
российских газет были опубликованы путевые заметки о государстве Бахрейн, где,
в частности, говорилось и о субмаринных источниках:
«Свежая пресная вода на бахрейнских
самбуках всегда в изобилии. Подводные ключи, бьющие в районе промыслов,
позволяют пополнять её запасы в любое время. Кое-где даже встречаются
«освоенные» источники с выведенными на поверхность залива резиновыми шлангами с
поплавками: подплывай и бесплатно заполняй порожние баки! Не случайно возникло
и само название архипелага Бахрейн, что в переводе означает «два моря» -
солёное море вокруг и море пресной воды, ключами бьющее со дна».
Многочисленные субмаринные источники
связаны с подземными каньонами, нередко представляющими собой подводное продолжение
устья рек. От устья р. Ганг в Бенгальский залив протянулся подводный каньон
длиной более 1600 км, шириной около 700 км и глубиной более 70 м, в котором
найдены выходы субмаринных подземных вод.
Известны случаи, когда субмаринные
воды служили не только источниками водоснабжения, но и источниками загрязнения.
Так, значительно уменьшилась колония кораллов у берегов Австралии. Проведя ряд
исследований, австралийские учёные пришли к выводу, что этот феномен был вызван
в первую очередь тем, что с пресными водами поступали загрязняющие вещества,
пагубно влияющие на жизнедеятельность коралловых рифов.
Эксплуатация субмаринных
источников
В последние годы во многих районах
земного шара отмечается дефицит водных ресурсов. В приморских районах
недостаток в пресной воде хорошего качества в ряде случаев можно значительно
уменьшить или даже полностью покрыть за счёт использования подземных вод,
«бесполезно» стекающих в море. В некоторых странах уже имеется положительный
опыт использования вод крупных субмаринных источников, разгружающихся в море
недалеко от берега, а также опыт эксплуатации скважин, пробуренных на шельфе и
вскрывших пресные подземные воды для снабжения приморских населённых пунктов.
Использование подземных вод
субмаринных источников для водоснабжения известно с глубокой древности. Много
веков назад люди с помощью различных приспособлений, в частности длинных
бамбуковых трубок, получали пресную питьевую воду из крупных субмаринных
источников, а также заправляли ею корабли.
Сейчас количественная оценка
субмаринного подземного стока позволяет дополнить ресурсы водоснабжения. Пример
практического использования субмаринных вод - сооружение плотины в море вблизи
юго-восточного побережья Греции. В результате было создано пресноводное озеро
внутри моря. Суммарный дебит субмаринных источников здесь превышает 1 млн м3/сут.
Воды этого «озера» используют для орошения земель прибрежных территорий.
Нередко высказываются суждения о
высоких возможностях использования субмаринных подземных вод и об их
неисчерпаемых ресурсах. Однако использовать такие воды непосредственно в море
весьма непросто. Прежде всего это определяется сложностью каптирования выходов
субмаринных источников на дне и экономической целесообразностью сооружения
такого каптажа.
В ряде стран разрабатываются
современные технические способы и средства для добычи «воды под водой». В
Японии получен патент на способ отбора пресной воды из субмаринного источника.
Авторы патента предлагают разделять пресную и морскую воду непосредственно на
дне моря. Над источником ставится полностью автоматизированная установка с
датчиками, непрерывно измеряющими солевой состав воды. Если солёность превышает
допустимую величину, подача воды к потребителю автоматически прекращается и
вода сбрасывается в море до тех пор, пока её солёность и состав не
нормализуются.
Итальянские специалисты предложили
для отбора вод субмаринных источников использовать специальный колокол, который
устанавливается на дне моря, накрывая источник. Колокол оборудован
предохранительными клапанами, контролирующими расход воды и при необходимости
её состав.
Большие перспективы в области
использования субмаринных подземных вод морскими водозаборами открываются в
связи со значительным развитием технических средств бурения и опробования
скважин на шельфе, материковом склоне и дне морей и океанов. Скважины,
пробуренные на шельфе Австралии, вблизи Атлантического побережья США, на
континентальном склоне Мексиканского залива и др., вскрыли пресные
слабоминерализованные субмаринные воды, обладающие значительным напором.
Скважиной, пробуренной с корабля в Атлантическом океане у берегов Флориды, в 43
км к востоку от Джэксонвилла, на глубине 250 м ниже уровня моря вскрыта вода с
минерализацией 0,7 г/л. При этом её напор достигает 9 м над уровнем моря.
Уже существуют компании, которые
занимаются разработкой оборудования, необходимого для использования пресных вод
субмаринных источников. Так, компания «Nymphea Water» успешно разрабатывает
оборудование для каптирования субмаринных источников. Её представители
утверждают, что данные технологии могут применяться для каптирования около
четверти существующих субмаринных источников без ущерба для окружающей среды.
Однако выводы о возможностях
практического использования субмаринных вод можно делать только после
проведения специальных работ по оценке эксплуатационных запасов вод, включая
технико-экономическое обоснование целесообразности их использования.
Изучение влияния субмаринной
разгрузки флюидов имеет большую историю. К основателям этого научного
направления следует отнести К.К. Зеленова. Наиболее масштабные изменения
морской среды эпизодически происходят в районах субдукции при подводных
вулканических извержений и в зонах спрединга, где типичны постоянно
функционирующие «курильщики». Известны Красноморские море рассолоносные впадины.
Влияние на окружающую среду субмаринных источников шельфовой зоны изучено в
меньшей мере.
Рассмотрен механизм поступления
растворенных веществ из осадочного чехла. Этот источник можно отнести ко
вторичному загрязнению. Это высвобождение в водную среду элементов, ранее
захороненных в донных осадках. Наиболее изучен режим этой составляющей режима
подземных вод в океанах и морях в связи с проблемой прогнозирования морских
землетрясений. Известно, что в процессе подготовки землетрясений происходят изменения
температурного режима и вещественного состава подземных вод как на суше, так и
в море. Например перед Камчатским землетрясением 4 марта 1992 года с М=7,0 в
скважине «Морозная» концентрация иона натрия превысила фоновые концентрации на
23,6% (+4,5σ), концентрация
бикарбонат иона оказалась ниже фоновых концентраций на 58% (-4,8σ), концентрация
сульфат иона оказалась выше фоновых концентраций на 40,1% (+2,94σ).
Известно, что субмаринная разгрузка
флюидов характерна только для определенных участков морского дна,
местоположение и размеры которых важно знать для рационального использования
ресурсов Мирового океана. Исследованиями было охвачено 7 районов вдоль
Крымского и Кавказского побережья Черного моря, которые выбраны на основании
анализа результатов геологических, геофизических, гидрогеологических работ и
натурных наблюдений по побережью и акватории и представляли наиболее
характерные типы разгрузки подземных вод в пределах шельфа.
Разгрузка подземных вод в
зависимости от расположения источников, величин их дебитов и мощности
отложений, перекрывающих сами очаги выходов, по-разному проявляется в донных
отложениях и морских водах. Общеизвестны сосредоточенные выходы подземных в
нескольких десятках метров от берега на дне моря в районе Гантиади. Примерные
контуры этой зоны установлены по понижениям концентраций хлор иона в грунтовых
растворах современных отложений. Кроме того, в этой зоне повышены концентрации
Pb, Cu, Zn. В районе Крымского полуострова были обнаружены зоны выхода
подземных вод на дне моря в районах Ласпинской бухты, Симеиза и Судака. Зона
субмаринной разгрузки подземных вод в районе бухты Ласпи отмечается по резким
понижениям концентраций хлор иона в иловой воде до 4,59 ‰. Вместе с тем,
отмечается повышение концентраций Co, Zn, Ba, повышено содержание Cr в
поверхностном слое донных осадков.
В районе Симеиза, в зоне разгрузки
карстовых вод концентрация хлор иона понижена до 7,78 ‰, и в то же время
повышены концентрации Zn. В зоне субмаринной разгрузки карстовых вод Судакской
бухты отмечается аналогичная закономерность: Cl понижен до 8,25 ‰, отмечается
также повышение концентраций Zn, Cr в зонах субмаринной разгрузки подземных
вод.
Разгрузка глубинных подземных вод по
тектоническим нарушениям Исследовалась в районах Ялты и Мацесты. Здесь
поступление с глубин высокоминерализованных вод вызывает повышение концентраций
хлор иона в иловых водах донных осадков до 12,44 ‰ в районе Ялты и до 19,87 ‰ в
районе Мацесты. Аномальные зоны имеют вытянутую форму. Концентрация хлор иона с
глубиной в них увеличивается. Геохимические проявления разгрузки сходны для
обоих районов. Помимо хлора в зонах разгрузки глубинных подземных вод
отмечается повышение концентрации Co; Ba, повышены концентрации Ni и Cu.
Таким образом, установлено, что при
разных типах разгрузки происходят геохимические изменения в донных осадках. В
частности, изменяются концентрации хлор иона в иловых водах. При разгрузке
пресных вод в осадках отмечается повышение концентрации Zn, Cr. При разгрузке
глубинных подземных вод (минерализованных) отмечается накопление геохимически
более подвижных элементов, что может быть связано с контрастностью
геохимических условий в очагах разгрузки и вблизи него.
Каково происхождение
данной термальной воды? Какие источники энергии приводят ее в движение? Наиболее эффектным было предположение о том, что обнаружено
поступление в океан мантийной воды. Казалось, появились натурные данные к
решению вопроса о планетарном круговороте воды. Однако исследования изотопного
состава этих вод и другие тонкие эксперименты показали несостоятельность такого
предположения.
Тогда была высказана другая
гипотеза. Дело в том, что согласно теории литосферных плит в срединно-океанических
хребтах происходит образование океанической коры за счет поступления мантийного
вещества Ранее образованные участки океанической корь, при этом отодвигаются.
Остывая в результате контакта с холодной морской водой, кора трескается и
становится водопроницаемой. На основании этих представлений рассчитали
количество тепла, которое должно поступать в океан при остывании
новообразованной океанической коры. Наибольшее значение получили для
Восточно-Тихоокеанского поднятия, где скорость океанического спрединга
(разрастания океанического дна) максимальна. Однако при инструментальном
определении теплового потока с научно-исследовательских судов были получены
очень низкие значения, характеризующиеся также большой изменчивостью по
площади. Тогда было выдвинуто предположение, что морская вода циркулирует по
трещинам океанической коры и участвует в ее «глубоком» охлаждении. Она
проникает в трещины океанической коры, опускается на глубину, нагреваясь при
этом и вступая в различные химические реакции с породами океанической коры.
После этого горячая вода, обогащенная различными химическими элементами,
поднимается наверх, образуя выходы «черных курильщиков». По мере отодвигания
океанической коры от оси срединно-океанического хребта она не только
охлаждается, но и покрывается сверху слоем илистых отложений. Поэтому со
временем интенсивность проявлений «черных курильщиков» уменьшается. Когда
мощность слоя осадков превышает критическую величину, водообмен «океаническая
кора - морская вода» на этом участке прекращается. По мнению некоторых
исследователей, «захороненная» морская вода продолжает еще некоторое время
(миллионы лет) циркулировать, образуя вертикальные циркуляционные ячейки.
Явление термальной конвекции в горизонтальном водонасыщенном слое,
подогреваемом снизу, хорошо исследовано в лабораториях. Проведены эксперименты
на газе, который под давлением заполняет пустоты между шариками, в вязкой
жидкости, в пористой среде. Теоретическая возможность таких явлений доказана.
Однако для конкретных выводов и расчетов таких характеристик, как глубина
проникновения морской воды в океаническую кору, темпы водообмена, ширина
циркуляционной ячейки, необходимо располагать значениями многих параметров.
Среди них характер распределения в океанической коре трещинноватости, водопроницаемости,
теплопроводности, температуры, минералогического состава.
Конечно, гидротермальные проявления,
включая «черных курильщиков», нельзя, строго говоря, считать подземным стоком в
океан, ведь этот сток сформировался не на суше и противоречит сформулированному
выше определению понятия «подземный сток в моря и океаны». Так что это не сток
с суши в океан. Но морская коде «побывала под землей», так как она
циркулировала по трещинам океанической коры и только спустя длительное время
снова стала морской водой. Вместе с тем гидротермальные проявления во многом
аналогичны процессам су 6-маринной разгрузки. Поэтому оставим в стороне вопрос
о том, можно пи пчерные курильщики» называть подземным стоком или лучше
использовать другую терминологию. Важно подчеркнуть одно: этот сложный и
чрезвычайно слабо изученный природный процесс участвует в тепломассо* обмене
между земной корой и океаном и заслуживает тщательных исследований. При
изучении гидротермальной циркуляции в пределах срединно-океанимеских хребтов
основная роль принадлежит инструментальным иссмдованиям с
научно-исследовательских судов. Важное значение при этом поиск и картирование
мест выхода гидротерм. Здесь используется оптический метод, непрерывное
сейсмоакустическое профилирование, всевозможные локаторы и многолучевые
эхолоты. Хорошим, поисковым признаком служат аномалии температуры и повышенные
содержания в морской воде железа, марганца, высокое содержание
хемосинтезирующих бактерий. В практическом отношении важен поиск месторождений
полиметаллических сульфидов на дне океана, в первую очередь сульфидных холмов
«потухших черных курильщиков», в том числе захороненных под слоем морских
осадков. Здесь особое значение приобретают методы, основанные на выявлении
геохимических и физических аномалий, отражающих проявления древней
гидротермальной деятельности.
И в заключение еще об одном
интересном явлении, почти не изученном до настоящего времени. До сих пор мы
говорили, что подземный сток в моря и океаны осуществляется практически
повсеместно за исключением Арктики и Антарктиды, сложенных
глубокопромороженными горными породами либо мощной толщей льда. Исследования
последних лет, проведенные в Антарктиде, показали, что и здесь под мощной
толщей льда находится огромное количество пресной воды. По данным В.М. Котлякова,
К.С. Лосева и И.А. Лосевой (1977), в Антарктиде под ледниковым покровом
происходит донное таяние льда, которое приводит к образованию примерно 380 км
пресной воды в год. Под скважиной, пробуренной на станции Бэрд в Антарктиде,
вскрыта под толщей льда пресная вода с высотой напора 60 м. Эти талые воды на
большой глубине разгружаются в океан и оказывают опресняющее воздействие по
всей прибрежной зоне.
По мнению доктора географических
наук Р.К. Клиге, подземный сток происходит не только в Антарктиде, но и в
Гренландии и на некоторых арктических островах. По характеру поступления в
Мировой океан и роли в его водном балансе эти подледниковые воды условно можно
отнести к подземному стоку, точнее, к подземной составляющей водного баланса
океанов, хотя очевидно, что происхождение и формирование «подледного» стока в
Мировой океан принципиально иные по сравнению с подземными водами,
сформировавшимися на суше и разгрузившимися в моря и океаны.
Литература
вода источник
субмаринный энергия
1. Зекцер И.С. Вода под водой. - М.: Знание, 1988. - 47 с.
. http://www.vsyachin.ru/earth_sciences/submarine_water.О.А.
Каримова, И.С. Зекцер. Вода под водой.