Рельеф вулканических гор ложа океана

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

25.00.25 - Геоморфология и эволюционная география

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Рельеф вулканических гор ложа океана

Жулёва Елена Викторовна

Москва - 2006

Работа выполнена в лаборатории геофизических полей Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

член-корреспондент РАН Глеб Борисович Удинцев

доктор географических наук,

профессор Дмитрий Александрович Субетто

доктор географических наук,

профессор

Александр Петрович Алхименко

Ведущая организация - ВНИИОкеангеология

Министерства природных ресурсов, РАН (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится _____ ___________ 2007 г. в _____ часов на заседании Диссертационного совета Д 212.199.26 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора географических наук при Российском государственном педагогическом университете им. А.И. Герцена по адресу: Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48 (факультет географии, корп. 12, ауд. )

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена

Автореферат разослан «______» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.П. МАХОВА

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Вулканические горы широко распространены на акватории Мирового океана и являются важной составляющей природного комплекса океанов. 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.

Океанский вулканизм является грозным природным явлением, оказывающим сильное воздействие на природную среду. Так, образование подводных вулканов может сопровождаться появлением гигантских волн цунами, опустошающих побережье и представляющих катастрофическую опасность для его жителей. В случае образования вулканических островов характерной особенностью извержений становится интенсивное пеплообразование, которое оказывает существенное влияние не только на экологическую обстановку региона, но и на климат значительной части планеты. Исследование пространственных и возрастных особенностей формирования океанских вулканов является важным этапом разработки системы прогноза этого процесса и предотвращения его губительных последствий.

Новые вопросы о строении и эволюции рельефа подводных гор поставила в геоморфологии теория тектоники литосферных плит. Ключевыми позициями, определяющими особенности геоморфологического изучения вулканических гор ложа океана, являются: формирование и эволюция морфоструктуры дна в условиях непрерывного спрединга и 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.

Основной проблемой геоморфологического исследования вулканических гор остается создание единой морфологической концепции, построенной на анализе характеристик рельефа разного таксономического ранга, и выявлении механизмов становления многообразия их внешнего облика.

В круг настоящего исследования включены вулканические горы ложа океанов и срединно-океанических хребтов - геотектур, в пределах которых происходит образование океанической литосферы. Наибольший интерес представляют горы океанических массивов, на примере которых можно составить картину их формирования, изменения в динамике и определить эволюцию.

В целях проведения историко-генетического анализа формирования 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, и рельеф вулканических гор исследуется на глобальном, региональном и локальном уровнях.

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 исследования.

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. вулканический гора рельеф гайот

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. 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 на глобальном, региональном и локальном уровнях

2. 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 обстановок формирования вулканических гор в геологической истории океанов;

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

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

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

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

7. 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.

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 и 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 связанных с мантийным плюмом магматических источников 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.

Теоретическая значимость исследования заключается в построении концепции формирования и эволюции рельефа вулканических гор ложа океана с позиций теории тектоники литосферных плит; в развитии историко-генетического направления геоморфологии дна океана; в разработке методологических основ и методических подходов исследования рельефа вулканических гор ложа океана методом последовательного приближения.

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 ложа океана, и особенностей развития на них ЖМО 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 графического представления материалов обработки видеоизображений донной поверхности и применима при крупномасштабном картографировании различных форм рельефа дна океана;

- полученные новые сведения о детальном 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.

На основании продолжительного сбора и обобщения литературных, первичных картографических материалов, а также результатов изучения подводных гор в рейсах ИО РАН, автором создан каталог геолого-геоморфологической информации о вулканических горах Мирового океана. Эти данные были положены в основу проведенного количественного анализа, а также собственных морфоструктурных и геоморфологических исследований. Работы были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований: гранты 96-05-64416, 96-05-64072, 98-05-64228.

В ходе многолетней работы с подводными фотографиями различных донных структур, для изучения микрорельефа и рудных образований подводных гор разработана и опробована на ряде природных объектов методика интерпретации результатов дешифрирования подводных снимков в виде фациальных профилей и карт с фотолегендой. Часть работ по этой теме была проведена в рамках Госконтракта "Геохимия и рудогенез океанических плит вне срединно-океанических хребтов".

Автором было проведено дешифрирование подводных фотографий гайотов Ита-Майтаи и ИОАН (Магеллановы горы, Тихий океан), полученных буксируемой фотоустановкой ПФ-69 в 9-том рейсе нис «Академик Мстислав Келдыш».

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на 7 международных и 5 республиканских съездах, конференциях, совещаниях, научных школах. Отдельные положения диссертации докладывались на 5-ой и 7-ой Всесоюзных 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 «Геоморфология вулканических гор ложа океана» (2004) и «Атлас подводных фотографий Красноморского рифта» (1983) (в соавторстве).

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 54 рисунка, 5 таблиц.

Благодарности. Первые слова благодарности за творческий настрой при написании диссертации автор адресует своим учителям, преподавателям МГУ им. М.В. Ломоносова, академику РАН Е.Е. Милановскому и профессору Е.И. Игнатову, которые ввели его в мир Науки и позволили увидеть ее увлекающие горизонты. В работе над диссертацией помогли советы и замечания профессоров В.Г. Казьмина (ИО РАН), И.О. Мурдмаа (ИО РАН), Ю.А. Павлидиса (ИО РАН), Ю.Г. Симонова (МГУ), С.К. Гулёва (ИО РАН), Е.П. Дубинина (Музей землеведения МГУ), А.В. Ильина (ГИН РАН), А.В. Самохина (МУИГА). Автор выражает им свою глубокую признательность. Работа создавалась в творческом коллективе лаборатории геофизических полей Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, и автор благодарен ее сотрудникам за оказанное внимание, поддержку и помощь. Особенно автору хочется поблагодарить своих коллег старших научных сотрудников К.В. Попова и С.В. Лукьянова.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Подводные горы ложа океана как объект геоморфологического изучения.

Состояние проблемы изучения вулканических гор ложа океана. История изучения рельефа подводных гор непосредственно связана с развитием технических средств освоения океанских глубин. Постоянное совершенствование способов проведения батиметрической съемки направлено, прежде всего, на увеличение детальности и надежности получаемых данных. Целенаправленное пополнение данных о батиметрии Мирового океана отражается в систематическом переиздании «Генеральной батиметрической карты океанов» (ГЕБКО) масштаба 1:10 000 000, первое издание которой вышло в 1903 году, а последнее появилось в 2003 году. Большое количество подводных гор в разных районах океана было обнаружено и закартировано в результате съемок узколучевыми и многолучевыми системами, сонарами бокового обзора; спутниковой альтиметрии (Хейзен и др., 1962; Шепард, 1976; Edwards e.a., 1984; Krause, Kanaev, 1970; Tucholke, Smoot, 1990; Vogt, Smoot, 1984 и др.).

К подводным горам относятся изолированные поднятия глубоководного дна высотой 1000 м и более.

В процессе накопления информации о рельефе подводных гор океана сформировалась их морфологическая классификация: подводный пик, гайот, океаническая банка. В работе к вулканическим горам относятся также вулканические острова и атоллы.

По высоте подводные горы подразделяются на: высокие - более 3 км, средние - от 2 до 3 км и низкие - менее 2 км (Агапова и др., 1990).

Существенным шагом в развитии геоморфологических исследований подводных гор явилось применение способа работы на полигонах. В комплекс полигонных исследований подводных гор включаются батиметрическая, геомагнитная, гравиметрическая, сейсмическая и геотермическая съемки, подводное фотографирование, а также отбор образцов слагающих пород и рыхлых осадков (Богданов, Сорохтин и др., 1990; «Вулканические поднятия…», 1989; Удинцев, 1960; Halbach, Puteanus, 1984 и др.). Особое значение полигонный способ имеет в связи с использованием в исследованиях подводных гор подводных обитаемых аппаратов (ПОА). В комплекс научных работ, проводимых непосредственно с ПОА, входят визуальные наблюдения специалистов, сбор образцов пород манипулятором, фотографирование и телевизионная съемка дна. Полигонные исследования с использованием обитаемых систем были проведены, например, на подводной горе Афанасий Никитин, гайоте Эррор, хребте Брокен в Индийском океане; на подводной горе Менделеева, гайотах Ита-Майтаи и ИОАН системы Магеллановых гор, Угловых горах и подводных горах Новой Англии в Тихом океане; на подводных горах Ампер, Жозефин, поднятии Горриндж в Атлантическом океане (Беляев и др., 1991; Вержбицкий и др., 1989; Ильин, 1989; Heirtzler e.a., 1974; CNEXO, 1984 и др.).

Важное место в изучении рельефа подводных гор занимает метод подводной фотографии. Этот метод позволяет фиксировать облик дна в его естественном, ненарушенном состоянии, и в ряду инструментальных работ является самым крупномасштабным: предметом исследования становится микрорельеф донной поверхности (Жулёва, Мирлин, 1983).

Для исследования поверхности подводных гор применяется фотографирование с самоходных обитаемых и буксируемых необитаемых подводных аппаратов, а также фотосъемка подводными фотоустановками. На ПОА, для которых характерна высокая маневренность, фотографирование осуществляется оператором, который на свое усмотрение выбирает объекты съемки (Богданов и др., 1983; Монин, Войтов, Ястребов, 1980; Ballard, 1975; Francheteau e.a.,1980; Rangin, Francheteau, 1981). Существенной отличительной чертой фотографирования с буксируемых подводных носителей является значительная протяженность съемочных галсов и работа на большой глубине. Фотографирование проводится в автоматическом режиме в ходе буксировки аппарата на высоте первых метров от дна («Вулканические поднятия…», 1989; Ястребов и др., 1986).

Технические возможности подводной фотографии сделали ее важным современным методом поиска и нетрадиционных исследований полезных ископаемых, расположенных непосредственно на поверхности дна. Такими являются, например, железомарганцевые, кобальтоносные, сульфидные, фосфатные образования (Зенкевич, 1970; Жулёва, 1994а, 1994в; Morgan e.a., 1988; “The outlook…”, 1982; Thorndike e.a., 1982 и др.).

Общая характеристика вулканических гор ложа океанов, проведенная в разделе 1.3, включает в себя их краткий обзор отдельно по океанам. В мировой литературе существуют крупные работы, посвященные как геоморфологическому описанию разных океанических бассейнов (Ильин, 1976; Канаев, 1979; Удинцев, 1972 и др.), так и анализу морфологического и геолого-геофизического строения конкретных вулканических гор («Вулканические поднятия…», 1989; Ильин, 1989; “Seamounts, Islands, and Atolls”, 1987 и др.). Проведенный обзор вулканических гор ложа океана позволяет составить обобщенное представление о многочисленности и разнообразии объектов дальнейших исследований.

Основы построения концепции формирования рельефа вулканических гор с использованием метода последовательного приближения. Согласно современным философским представлениям «промежуточность» объекта нашей науки… обязывает… геоморфологов… выступать инициаторами новых научных поисков, новых путей в познании и частных (чисто геоморфологических), и самых общих законов миростроения»…(Тимофеев, 2003; стр. 7).

Исходя из того, что рельеф образуется из морфологических элементов разных таксономических рангов, предлагается построить концепцию формирования и эволюции рельефа вулканических гор ложа океана с использованием метода последовательного приближения (табл. 1) (рис. 1) (Жулёва, 2004).

Этот метод является главным в разработанной И.П. Герасимовым (1967; 1976; 1983; 1986) теории, согласно которой определяющей характеристикой рельефа является его генезис. Базируется эта теория на предложенной В.М. Дэвисом (1962) историко-генетической направленности геоморфологических исследований.

На первом этапе исследований вулканические постройки рассматриваются в качестве единиц глобального рельефа. Оценка численных параметров гор, например, таких как количество, высота, возраст, в связи с их расположением в пределах разновозрастных провинций ложа океана, предоставляет важные сведения о роли вулканических гор в строении донного рельефа и позволяет проводить сравнение участия внутриплитовых вулканов в формировании облика различных участков океанских котловин. Цель этого этапа исследований - на основе количественной обработки данных поиск и анализ пространственных и временных особенностей формирования и расположения вулканических гор в пределах ложа океана.

Таблица 1

Логическая схема построения концепции формирования рельефа вулканических гор ложа океана с использованием метода последовательного приближения

Уровень исследования	Объект исследования	Предмет исследования	Способ исследования	Составляющий элемент концепции
Глобальный	Совокупность вулканических гор ложа океанов	Морфология (типы, высота, возраст) вулканических гор	Количественный анализ	Выявление пространственных и возрастных особенностей образования вулканических гор ложа океана
Региональ-ный	Океанические горные массивы	Геоморфологи-ческое и геолого- геофизическое строение	Сравнительный структурно- морфологичес-кий анализ	Определение закономерностей формирования и эволюции морфоструктуры вулканических гор
Локальный	Подводная гора	Микрорельеф	Фациальное картирование по результатам дешифрирова-ния подводных фотографий	Анализ фациальной изменчивости и ведущих рельефообразую-щих процессов; восстановление этапов палеогеографичес-кого развития подводной горы

Вулканические горы разнообразны по своей форме. Анализ морфоструктурных особенностей и поиск закономерностей поствулканического развития подводных гор становится предметом региональных исследований. В качестве объектов изучения на этом этапе выбраны океанические горные массивы, в пределах которых есть проявления активного вулканизма, с тем, чтобы иметь возможность рассмотреть, какие формы рельефа образуются на дне океана непосредственно в областях вулканической деятельности, и каким образом происходит изменение морфологического строения вулканических построек с течением времени. Цель этого этапа работ - в ходе сравнительного анализа определение характерных особенностей и выявление закономерностей формирования и эволюции морфоструктуры океанических массивов вулканических гор.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 1. Обзорная карта положения объектов исследования (cоставлена Е.В. Жулёвой)

а а б б в г

Условные обозначения: а - вулканические горы; б - океанические горные массивы: 1 - Канарские острова,

2 -Азорские острова, 3 - Маскаренский хребет, 4 - плато Кергелен, 5 - Гавайские острова, 6 - Маркизские острова, 7 - острова Общества, 8 - Австралийские (Южные) острова, 9 - острова Эререту-Питкэрн; в - полигон локальных исследований; г - подводные горы (Агапова и др., 1990)

На последней стадии «приближения» непосредственным объектом исследования становятся микроформы, создающие морфоскульптуру рельефа конкретной подводной горы. Наиболее информативным в проведении крупномасштабных исследований поверхности подводных гор представляется картографический метод. В связи с этим особое значение приобретает подводная фотография. Построение крупномасштабных карт на основе интерпретации результатов дешифрирования подводных снимков, как способ фиксации прямых наблюдений, предоставляет возможность проводить «географическое описание» донной поверхности (Жулёва, 1994). При дешифрировании снимков основными картируемыми единицами ландшафтов подводных гор становятся фации.

Глава 2. Геодинамические обстановки образования вулканических гор ложа океана.

На дивергентных границах литосферных плит вулканизм проявляется в срединно-океанических хребтах в образовании оформленных околоосевых вулканов, которые с течением времени превращаются в формы рельефа флангов хребта и океанского ложа.

Околоосевые вулканы имеют форму куполов, и высота их обычно не превышает 300-500 м. Поверхность куполов сложена свежими, свободными от осадков, базальтовыми лавами подушечной и трубообразной формы (Богданов и др., 1983; Казьмин, 1987; Матвеенков и др., 2000; Монин и др., 1980; ARCYANA…, 1975; Atwater, 1979; Scheirer, Macdonald, 1993). Происхождение околоосевых вулканов объясняется структурой поднимающихся астеносферных потоков и направлением латеральной миграции магмы внутри мелкоглубинной камеры под хребтом (Carbotte, Macdonald, 1992; Shen e.a., 1993).

Вулканизм трансформных разломов проявляется лишь в их активной части, на отрезке, который соединяет сегменты двух смежных рифтовых зон, испытавших сдвиговое смещение (Vogt, Johnson, 1975).

Наиболее крупные формы рельефа, связанные с вулканизмом трансформных разломов, представляют собой протягивающиеся вдоль разломов поперечные хребты, состоящие из абиссальных холмов и отдельных крупных вулканических сооружений центрального типа, таких, например, как гора Ферсмана в активной части разлома Марафон, гора Надежда вблизи пересечения разлома Страхова с рифтовой долиной Срединно-Атлантического хребта, гора Белоусова в активной части разлома Сан-Паулу (Разницын и др., 1991; Агапова, 1993; Агапова, 1994).

Образование приразломного вулканического хребта в зоне пересечения трансформным разломом срединно-океанического хребта провоцируется «дамбовым» эффектом, возникающим в результате смещения одновозрастных участков литосферы в ходе сдвига по трансформному разлому, и прорыва мантийным веществом более тонкой молодой литосферы (Дубинин, 1987).

Теория «горячих точек» (hot spots) объясняет внутриплитовый вулканизм существованием в мантии Земли «мантийных плюмов», из которых поднимаются проплавляющие литосферу потоки разогретого вещества, формирующие на земной поверхности «горячие точки» - области повышенной, продолжительной вулканической активности (Грачев, 2000; Сейферт, 1991; Wilson, 1963; Morgan, 1971). В результате перемещения литосферных плит над зафиксированными в пространстве магматическими источниками, действующие вулканы отмирают, образуя на поверхности Земли протяженные асейсмичные хребты или цепи вулканических гор, для которых характерно постепенное увеличение возраста по мере удаления от области современного вулканизма.

Четко локализованные районы длительной вулканической деятельности на океанском дне расположены, например, в пределах Гавайских, Каролинских и Маркизских островов, островов Лайн, Питкэрн и Пасхи в Тихом океане; Исландии, Азорских и Канарских островов, островов Святой Елены, Зеленого Мыса в Атлантическом океане; островов Крозе, Реюньон в Индийском океане.

Внутриплитовые ситуации "pull-apart" формируются в связи с тем, что геометрия природы обладает универсальным свойством - фрактальностью (Mandelbrot, 1983). Фрактальная дискретность литосферы, как фактор внутриплитового вулканизма, проявляется в условиях pull-apart - растяжения между двумя разломами-сдвигами с противоположно направленным горизонтальным смещением. Подобные напряжения провоцируют формирование в океанской литосфере разветвленной системы трещин, по которым из неглубокого подлитосферного источника может изливаться магма (Мирлин, 2001). Существуют модели, по которым механизм pull-apart рассматривается как ведущий при формировании внутриплитовых вулканических построек всего Атлантического океана, а также внутриплитовых вулканических структур в относительной близости от зон спрединга (Кононов и др., 2002; 2003).

Перечисленные геодинамические условия являются основными при анализе глобального вулканизма: именно они преобладают и участвуют в массовом образовании вулканов ложа океана. В силу сложной динамики океанических литосферных плит на их границах складываются и некоторые другие обстановки, благоприятные для формирования активных вулканов. К ним можно отнести, например, такие как области тройных соединений, области перескока осей спрединга, области функционирования «горячей точки» в пределах срединно-океанических хребтов. Однако формирование вулканических гор в этих геодинамических ситуациях можно рассматривать как частные формы проявления основных геодинамических обстановок, и схемы эволюции рельефа вулканических гор в этих случаях идентичны.

Глава 3. Глобальные особенности Формирования и размещения Вулканических гор ложа океана.

Для проведения количественного анализа пространственно-возрастных особенностей формирования и расположения вулканических гор в пределах океанского ложа был составлен электронный каталог геолого-геоморфологических данных о вулканических горах ложа Мирового океана, который представлен в Приложении к работе. В каталог вошли сведения из Отчетов по специализированным рейсам научно-исследовательских судов Института океанологии РАН, изданных батиметрических карт и атласов, опубликованной литературы по геолого-геофизическим исследованиям дна океана (Жулёва, 2004). Компьютерная версия каталога реализована в программе Excel.

Каталог организован следующим образом:

А. Порядковый номер; B. Название горы; C. Международное название горы; D. Форма рельефа; E. Географическая широта; F. Географическая долгота; G. Глубина вершины; H. Глубина подножья; I. Морфоструктурное положение; J. Состав пород; K. Возраст; L. Метод определения возраста; M. Полезные ископаемые; N. Геолого-геофизическая изученность; O. Возраст несущей литосферы; P. Библиография.

Приводится характеристика метаданных и необходимые комментарии по принципам отбора и содержанию хранящейся информации.

В настоящее время в каталоге собрана информация о 267 вулканических горах. Этот объем данных достаточен для проведения количественного анализа в целях определения характерных зависимостей и наиболее выразительных закономерностей. В обработку данных было включено 168 сооружений Тихого океана, 85 - Атлантического и 14 - Индийского. Из-за отсутствия необходимого фактического материала в проводимый анализ не вошли горы Северного Ледовитого океана.

История формирования вулканических гор ложа океана исследуется на основании анализа возрастных характеристик вулканических гор. Обнаруживается неравномерное формирование океанских вулканов во времени и существование некоторой периодичности в протекании этого процесса в позднем мезозое и кайнозое (рис. 2) (Жулёва, 2004).

Рис.2. Интенсивность формирования вулканических гор на ложе океана в позднем мезозое-кайнозое.

Выделяются три этапа активизации вулканизма:

- поздний мел, период 100-70 млн. лет тому назад;

- поздний эоцен - олигоцен, период 40-30 млн. лет тому назад;

- современный, начавшийся в позднем миоцене около 20 млн. лет тому назад.

Ранние периоды усиления внутриплитового вулканизма совпадают с этапами увеличения площади наращивания коры в океанах в осях спрединга в позднем мелу (90-75 млн. лет назад) и в эоцене (50-40 млн. лет назад), которые были выделены Л.П. Зоненшайном и М.И. Кузьминым (1993) при оценке тектонической активности Земли в глобальном масштабе.

Современный этап активизации внутриплитового вулканизма совпадает с новейшей фазой активизации процессов расширения Земли, которая, согласно концепции Е.Е. Милановского (1995, 1996), началась 10 млн. лет назад и характеризуется глобальным усилением процессов рифтинга и спрединга, а также общим увеличением продуктивности базальтового вулканизма в океанах и на континентах.

Установленная синхронность в протекании природных процессов позволяет сделать вывод о том, что формирование океанических вулканов является элементом общепланетарного геопульсационного развития. Периодическое усиление активности внутриплитового вулканизма в океане, совпадающее с экспансионными стадиями геологической истории Земли в позднем мезозое и кайнозое, отражает цикличность выделения внутренней энергии планеты в целом.

Основные пространственно-возрастные характеристики расположения вулканических гор на ложе океана установлены в результате анализа данных о распределении вулканических гор разного возраста в пределах разновозрастных участков океанского дна (рис. 3) (Брусиловский, Жулёва,1998).

Рис. 3. Связь возраста вулканических гор с возрастом несущей литосферы

Условные обозначения: 1 - горы Тихого океана; 2 - горы Атлантического океана; 3 - горы Индийского океана.

В океанских бассейнах условная граница между подножьем срединно-океанических хребтов и собственно ложем котловин соответствует возрастной границе земной коры Mz-Kz (65 млн. лет) (Ильин, 2003).

Доля современных вулканов в общем количестве гор велика лишь на литосфере возрастом до 90 млн. лет. На участках дна, возраст которых превышает 90 млн. лет, наблюдаются локализованные скопления, образованные горами возрастом от 70 до 90 и от 90 до 110 млн. лет, сформированными на древнем этапе активизации вулканизма. При этом более 80% вулканических гор расположено на литосфере возрастом от 80 до 150 млн. лет. Они находятся вне срединно-океанических хребтов и примерно равномерно распределены в пределах абиссальных котловин и глыбово-вулканических поднятий (рис. 4). Для котловин ложа океана характерны одиночные горы; горные массивы приурочены к глыбово-вулканическим поднятиям.

Для исследования пространственно-временных особенностей образования вулканических гор ложа океана рассматривается активность формирования вулканов на литосфере разного возраста, который определяется разностью между абсолютным возрастом несущей литосферы и возрастом расположенной на ней горы (Жулёва, 2000) (рис. 5).

Анализ данных показывает, что образование более 95% вулканических гор произошло на литосфере возрастом до 90 млн. лет. Из них около 50% образовалось на литосфере

Рис. 4. Схема расположения вулканических гор в пределах основных морфоструктур ложа океана и срединно-океанических хребтов. По (Ильин, 2003); с добавлениями.

Условные обозначения: 1 - срединно-океанические хребты; 2 - котловины ложа океана; 3 - глыбово-вулканические поднятия; 4 - микроконтиненты; 5 - подводные окраины материков и переходная зона; 6 - горы: а - моложе 10 млн. лет, б - старше 10 млн. лет



Рис. 5. Активность формирования вулканических гор на океанической литосфере разного возраста.

моложе 40 млн. лет, и 23.5% - на литосфере возрастом от 90 до 70 млн. лет. При этом происходит сокращение относительного количества гор, которые формируются в пределах рифтовой зоны: на литосфере возрастом до 40 млн. лет образовалось около 40% древних вулканических гор океанов, а доля современных вулканов составляет здесь лишь 9%. Обнаруженная особенность хорошо согласуется с гипотезой А.В. Ильина (2003) о сокращении вулканогенного фактора формирования рифтогенной морфоструктуры по мере увеличения геологического возраста центров спрединга.

Одновременно сравнительно увеличивается активность горообразования на литосфере возрастом от 90 до 70 млн. лет. Согласно разным моделям здесь может действовать вулканизм типа pull-apart, либо вулканизм «горячих точек». Однако можно говорить о том, что независимо от механизма проявления, при достижении океанической литосферой возраста 90 млн. лет, и соответственно мощности около 70 км, массовый внутриплитовый вулканизм на ней во всех океанах практически прекращается (здесь и далее для оценки мощности литосферной плиты используется формула О.Г. Сорохтина: Мл = 7.5ТЅ) (1974).

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

Рассмотрена связь высоты и морфологии вулканических сооружений с их возрастом (рис. 6) (Жулёва, 2001).

Рис. 6. Связь высоты различных типов вулканических гор с их возрастом.

Условные обозначения:

подводные горы: 1 - Тихий океан, 2 - Атлантический океан, 3 - Индийский океан; гайоты: 4 - Тихий океан, 5 - Атлантический океан; атоллы: 6 - Тихий океан; острова: 7 - Тихий океан, 8 - Атлантический океан, 9 - Индийский океан.

Максимальные высоты от 5000 м до 7000 м имеют молодые, возрастом до 10 млн. лет, с преобладанием построек возрастом до 5 млн. лет, вулканические острова. Их высоты попадают в интервал от 1000 м до 9000 м, а наибольшее количество построек имеет высоту от 3000 м до 6000 м. Среди построек старше 10 млн. лет мало вулканических островов. В основном они имеют подводные вершины, либо преобразуются в коралловые острова - атоллы. Преобладающие высоты гор находятся в интервале от 1000 м до 5000 м. Максимальные высоты от 4000 м до 5250 м принадлежат, главным образом, подводным горам и гайотам Тихого океана. Гайоты имеют возраст от 10 млн. лет до 130 млн. лет. Гайоты Тихого океана, высотой от 2500 м до 4800 м, резко преобладают среди подводных гор возрастом от 90 до 130 млн. лет. Поскольку атоллы и гайоты формируются при достижении вулканическим основанием возраста 10 млн. лет можно предположить, что после завершения вулканической активности этого периода достаточно для эрозионно-абразионного разрушения надводной вершины и создания коралловой постройки рифостроителями.

Количественный анализ зависимости высоты вулканов от параметров океанической литосферы, на которой происходит их формирование, проведен на основании статистической обработки распределения высот вулканических гор, образующихся в пределах разновозрастных участков дна океана (рис. 7) (Жулёва, 2004).

Н п.г., км Н п.г., км

Т0 л = 0 - 30 млн. лет Т0 л = 30 - 60 млн. лет Т0 л = 60 - 90 млн. лет (м = 2.8; у = 0.9) (м = 3.6; у = 1) (м = 4.36; у = 1.2)

Рис. 7. Распределение высот вулканических гор в зависимости от возраста литосферы, на которой они формируются.

Условные обозначения: м - математическое ожидание; у - среднее квадратичное отклонение

Для рассматриваемой случайной выборки характерно нормальное распределение. Постепенное смещение математического ожидания м = 2.8 км на литосфере возрастом менее 30 млн. лет (мощность менее 41 км), до м = 3.6 км на литосфере возрастом от 30 до 60 млн. лет (мощность 41 - 58 км) и до м = 4.36 км на литосфере возрастом от 60 до 90 млн. лет (мощность до 71 км) отражает закономерное увеличение средних значений высот вулканических гор по мере роста мощности литосферы, на которой они формируются.

Одной из особенностей функции нормального распределения является то, что практически ее величина стремится к нулю при значениях случайной величины м + 3у ("Статистика", 2000). На этом основании можно утверждать, что для любой выборки из генеральной совокупности, в качестве которой рассматриваются вулканы, формирующиеся на ложе океана, с вероятностью 99.73% исследуемая случайная величина (высота) будет располагаться в интервале м + 3у и принимать значения:

0.1 - 5.5 на литосфере возрастом 0 - 30 млн. лет;

0.6 - 6.6 на литосфере возрастом 30-60 млн. лет;

0.8 - 8 на литосфере возрастом 60-90 млн. лет.

Полученные результаты показывают, что по мере увеличения мощности литосферы диапазон высот образующихся вулканов расширяется и смещается в сторону больших значений; мощность литосферы регламентирует не только максимальные, но и минимальные высоты формирующихся вулканов.

Образование вулканических гор является важным этапом формирования твердой оболочки Земли и связано с поступлением глубинного магматического вещества на земную поверхность в ходе вертикального массопереноса. Было рассмотрено распределение суммарных объемов вулканических гор разной высоты, формирующихся на океанической литосфере разного возраста.

При вычислении объемов вулканические горы условно аппроксимируются конусами. Такая аппроксимация допустима лишь в первом приближении. Однако на данной стадии изученности и настоящем уровне морфологических исследований используемый подход обеспечивает решение поставленной задачи. На основании надежных морфометрических измерений по батиметрическим картам Н.А. Маровой была выведена формула для вычисления объема подводных гор

V = 1/3рR2h = 1/3р(h/tga)2 h = 23.7h3,

где R - радиус основания горы; h - высота горы; 23.7 - постоянный коэффициент при среднем угле наклона склонов a = 11°.8 (Марова, Алёхина, 1998).

В расчеты объемов вулканических гор включена такая морфологическая характеристика, как высота постройки. Исследования, проведенные разными учеными по отдельным океанам, показали резкое преобладание вулканических гор высотой от 1 до 2 км (Марова, 1987; Марова, Алёхина, 1992; Ефимов, Турко, 1995). В среднем по океанам они составляют около 60% от общего количества построек. Однако определение суммарного объема гор этой высоты показало, что на их долю приходится лишь 0.1 общего объема излившихся пород, слагающих вулканические горы ложа океана. Поэтому при оценке распределения объемов материала, накапливающегося в ходе формирования вулканических гор на океанической литосфере, низкие постройки высотой от 1 до 2 км могут рассматриваться как своеобразный «фон». Количественный анализ сосредоточен на тех высотах, с которыми связано 90% объемов изверженных вулканитов

Проводится кластерный анализ распределения размеров вулканов, формирующихся на литосфере возрастом от 0 до 30 млн. лет, от 30 до 60 млн. лет и от 60 до 90 млн. лет (рис. 8).

Н п.г., км Н п.г., км Н п.г., км

То литосферы = 0 - 30 млн. лет То литосферы = 30 - 60 млн. лет То литосферы = 30 - 60 млн. лет

Рис. 8. Распределение высот и суммарных объемов вулканических гор, формирующихся на разновозрастных участках литосферы

Условные обозначения:

- высоты; - объемы

Для рассмотренных возрастных интервалов соотношение суммарных объемов вулканических гор составляет 0.2 : 0.3 : 0.5. То есть наибольшее количество, практически половина, вулканогенного материала, участвующего в горообразовании, выходит на земную поверхность в процессе внутриплитового вулканизма на океанической литосфере возрастом от 60 до 90 млн. лет.

Можно отметить, что распределение суммарных объемов вулканических гор разной высоты и соотношение групповых частот для выделенных высотных интервалов не идентичны. Например, на океанической литосфере возрастом от 0 до 30 млн. лет, где образование вулканов связано с дивергентными и трансформными границами литосферных плит, резко преобладают низкие горы, однако примерно половина вулканитов сконцентрирована в горах высотой 3 - 4 км, со средним объемом отдельных построек около 1016 км3. В пределах литосферы возрастом от 30 до 60 млн. лет, где вулканическая деятельность контролируется, в основном, трансформными нарушениями и «горячими точками», образуется приблизительно одинаковое количество гор высотой 3 - 4 км и 4 - 5 км, а суммарный объем последних, при среднем объеме построек 2160 км3, в два раза больше. На океанической литосфере возрастом от 60 до 90 млн. лет, в условиях внутриплитового вулканизма, наибольшие суммарные объемы имеют постройки высотой 5 - 6 км со средним объемом 3943 км3 (их доля составляет 0.4) и высотой 4 - 5 км, на долю которых приходится около 0.3 суммарного объема.

Таким образом, динамика вертикального массопереноса, определяющего формирование вулканических гор ложа океана, заключается в увеличении объемов изверженного материала по мере увеличения мощности литосферы, что подтверждается соотношением суммарных объемов вулканических гор, образующихся на разновозрастных участках океанского дна. Подобный рост суммарных объемов связан, прежде всего, с расширением диапазона высот образующихся вулканов и увеличением относительного количества гор крупного размера.

Глава 4. Характерные черты морфологии и эволюции океанических массивов вулканических гор

Океанические массивы вулканических гор, являются морфоструктурным элементом ложа океана. Их морфология и особенности структуры определяются ходом эндогенных процессов, обуславливающих как формирование вулканов, так и общее направление поствулканического развития построек.

На региональном этапе исследований в круг рассмотрения вошли Маркизские острова, острова Общества, Эререту-Питкэрн, Гавайские и Австралийские (Южные) в Тихом океане; Азорские и Канарские острова в Атлантическом океане; Маскаренский хребет и плато Кергелен в Индийском океане (см. рис. 1).

Проводится характеристика их рельефа и геологического строения. Для массивов вулканических гор специально построены батиметрические и физиографические карты с использованием грида Сандвелла 1997 года, составленного по данным батиметрических съемок и спутниковой альтиметрии дна Мирового океана (Smith W.H. and D.T. Sandwell Global seafloor topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Soundings, submitted to Science, April 7, 1997) (рис. 9). По этим картам определяются геоморфологические границы, проводится морфологическое описание структур с указанием линейных размеров, характерных отметок относительно уровня моря, взаимоположения составляющих элементов.

В анализ геолого-геофизического строения структур включен большой объем литературных материалов о результатах разносторонних экспериментальных исследований и прикладной обработки фактических данных. В характеристике геолого-геофизического

Рис. 9. Батиметрическая и физиографическая карты островов Общества

(Жулёва, 2004).

Условные обозначения: - контур вулканического поднятия

- активный вулкан

Цифры - возраст вулканических гор (млн. лет) по (Duncan, McDougall, 1976).

строения вулканических гор приводятся сведения о составе и возрасте коренных и осадочных пород, возрасте несущей литосферы. В случае проведения химических анализов вулканитов, приводится описание их результатов. Из интерпретации результатов сейсмических съемок черпаются сведения о мощности и строении земной коры.

На основании сопоставления особенностей морфологического и геолого-геофизического строения проводится сравнительный анализ формирования и эволюции рельефа океанических массивов вулканических гор, и выделяются основные закономерности развития их морфоструктуры (Жулёва, 2003а, б; 2004).

Все массивы вулканических гор представляют собой протяженные, линейно вытянутые цепи длиной от 500 км (Маркизские, Азорские, Канарские острова) до 3500 км (Гавайские острова), состоящие из островов и подводных гор различной морфологии.

Современный вулканизм сосредоточен на одном конце горных цепей и активно проявляется как на островах, так и в подводных вулканах, расположенных от них в радиусе от нескольких десятков до первых сотен километров, увеличивая площадь действительного проявления активного вулканизма до сотен квадратных километров (Жулёва, 2003в).

Подводные вулканы морфологически разнообразны. Они могут представлять собой как ненарушенные пики высотой в несколько сотен метров (постройки в районе острова Питкэрн и острова Мехетиа, подводный вулкан Лоихи в 30 км к юго-востоку от острова Гавайи и др.), так и крупные подводные горы высотой более 3000 м (например, подводные горы Ра и Макдональд в области неовулканизма Австралийских островов). Поверхность подобных вулканов сложена свежими лавовыми потоками типичной для подводных излияний формы.

Для морфоструктуры цепочек вулканических гор характерно единое сводово-вулканическое поднятие, которое служит своеобразным «пьедесталом» для щитовых вулканов и палеовулканов.

Анализ сложного геоморфологического строения областей современного вулканизма позволил сформулировать новый взгляд на возможную природу несущего сводово-вулканического поднятия. Наличие на ограниченной площади вулканов с большим разбросом высот свидетельствует о существовании под ними разноглубинных магматических очагов различной мощности. В ходе истощения относительно слабых неглубоких магматических источников и отмирания небольших подводных вулканов вулканическая активность сосредотачивается в пределах нескольких наиболее крупных подводных гор, из которых со временем «вырастают» острова. Постепенно происходит смыкание отмерших небольших подводных вулканов с основаниями вулканических островов, и формируется единое поднятие, высота которого определяется преобладающей высотой малых вулканических форм, и дальнейшее выравнивание которого связано с процессами аккумуляции осадков (Жулёва, 2004). Подобное направление моделирования согласуется с результатами численного решения задачи о внедрении мантийного диапира в литосферу, которые показали, что мантийный плюм при внедрении в литосферу распадается на серию мелких ячеек (Грачев и др., 1998).

...