Николай Вершинский - Загадки океана
На гайоте Ита — Майтаи в Тихом океане на глубине 1950 м манипулятором подводного аппарата «Пайсис» отбирается биологический образец: бесстебельчатые лилии, сидящие на горгоновом коралле.
Исследованные советскими учеными гайоты были островами и двигались вместе с литосферными плитами, на которых они возникли. В течение длительного времени происходило медленное погружение этих островов, их склоны постепенно пересекали слой кислородного минимума. Предполагается, что это обстоятельство имело решающее значение для образования корковых руд.
Слой кислородного минимума образуется в океане на глубинах от 600 до 2000 м. Кислород здесь расходуется на окисление органики. В пределах этих глубин происходит разложение основной массы органического вещества планктона. Кобальт интенсивно поглощается планктонными животными из морской воды. А при разложении планктонных организмов в слое кислородного минимума кобальт снова переходит в воду, обогащая ее. Здесь он и захватывается рудным веществом. Таким путем происходит обогащение формирующихся железомарганцевых корок не только кобальтом, но также никелем и медью.
Среди нагромождений железомарганцевых корок гайота Ита — Майтаи на глубине 1800 м аппарат встретил угря.
По наблюдениям советских ученых, рассеянные металлы могут концентрироваться лишь в том случае, если нерудные компоненты, т. е. тончайшие частицы глинистых и обломочных минералов, в том числе нерастворимые остатки планктонных организмов, будут выноситься за пределы области накопления руды. Для этого необходимо подводное течение у дна со скоростью в пределах 3—30 см/с. Начало образования рудных корок на гайотах Ита — Майтаи и ИОАН произошло около 20 млн. лет назад. Геологи называют это время средним миоценом. Оно соответствует началу ледникового периода, с которым связано усиленное перемешивание воды в океане, увеличение биологической продуктивности океана, образование слоя кислородного минимума и начало широкого образования корковых руд на подводных горах.
На подводных горах Лайн и Маркус — Неккер, Ита-Майтаи и ИОАН обнаружены корковые руды более раннего возраста — около 100 млн. лет. Геологи объясняют это тем, что корки образовались во время пересечения горами экваториальной области, где биопродуктивность была высокой на протяжении более 100 млн. лет.
Для образования корковых руд на подводных горах необходимо совпадение целого ряда независимых факторов: наличие отлогих склонов, длительное нахождение их на глубинах слоя кислородного минимума, интенсивная циркуляция окружающих склоны придонных вод и др.
Изучение истории различных районов дна Мирового океана дает возможность планировать поиски гайотов с залежами ценных руд, поскольку образование руд зависит от геологической и физической истории подводных гор.
До открытия корковых руд наибольшее экономическое значение среди руд океана придавалось железомарганцевым рудам. Не потеряли своего значения они и теперь. Однако за редким исключением поля железомарганцевых конкреций лежат на средних и больших глубинах океана — от 4 до 5–6 тыс. м. Промышленная добыча конкреций с таких глубин трудна. Нужны специальные суда. Использование этих конкреций — ближайшая перспектива для металлургии.
Корковые руды на склонах гайотов находятся на глубинах от 200–300 до 2500 м. Поэтому добывать их будет легче. И это перспектива не столь отдаленного будущего. Для этого нужна особая техника.
Почему не тонут конкреции? На дне океанов имеются гигантские залежи конкреций. Они оцениваются примерно в 2–3 трлн. т. В среднем конкреции содержат: марганца — 25 %, железа — 14 %, никеля — 1,9 %, меди — 0,5 %, кобальта — 0,4 %, в небольших количествах свинец, радиоактивные, рассеянные и редкие элементы (см. рис. на с. 100). Запасы некоторых химических элементов в конкрециях во много раз превышают разведанные запасы на суше. Плотность конкреций колеблется в пределах 1,91—1,95 г/см3. Конкреции лежат на слое жидкого ила с плотностью от 1 до 1,4–1,6 г/см3, но не тонут, а как бы плавают. Но плавать они не могут! Ведь они значительно тяжелее жидкого ила. Вспомните закон Архимеда. Спрашивается: почему же они не тонут?
В ил конкреции часто погружены не полностью. Поэтому верхние части их бывают окружены морской водой, плотность которой, как известно, не превышает 1,033 г/см3. Следовательно, выталкивающая сила еще меньше по сравнению с той, которая была бы при полном погружении конкреций в ил. Но конкреции устойчиво держатся на поверхности ила.
Удивление вызывает еще одно обстоятельство. Скорость роста конкреций в океане очень мала — всего несколько миллиметров в миллион лет, а скорость образования осадков на дне океана примерно в тысячу раз больше — миллиметры за тысячу лет. Поэтому конкреции должны были бы давно скрыться под слоем осадков толщиной во много метров. Но этого не произошло. В чем же дело? Как объяснить столь странную «непотопляемость» конкреций?
Есть несколько гипотез, объясняющих столь необычное явление в Мировом океане.
Одна из гипотез объясняет странное поведение конкреций деятельностью донной фауны. Предполагается, что животные, ползающие по дну, все время выталкивают конкреции на поверхность донных осадков. Или тем или иным способом сгребают осадки с верхних частей конкреций, сталкивая осадки вниз. Согласно этой гипотезе, бентосные животные должны непрерывно работать, как бульдозеры.
Имеются и другие гипотезы. Например, гидродинамическая, согласно которой конкреции постоянно перекатываются и переворачиваются придонными течениями и поэтому остаются на поверхности. Сейсмическая гипотеза предполагает встряхивание и переворачивание конкреций за счет сейсмических явлений.
Предполагались и другие гипотезы, связывающие, например, очистку конкреций со сползанием слоя осадков по наклонным плоскостям дна за счет силы тяжести. Высказывались даже предположения, что конкреции растут быстрее, чем осадки!
На глубине 1650 м, на уже отмершей стеклянной губке поселились лилии. Они поднялись повыше от дна, где сильнее течение и где больше питательных веществ. Гайот ИОАН, Тихий океан.
В 1983 г. советские ученые И. Н. Горяйнов, и Г. И. Горяйнова объяснили «непотопляемость» конкреций особым физическим свойством жидкого ила. Они считают, что жидкий ил обладает не только вязкими свойствами, но также и некоторой упругостью. Частицы ила, сцепленные между собой, образуют под конкрециями подобие упругой сетки. Она‑то и выталкивает конкреции на поверхность илового слоя. Приводятся расчеты, показывающие механизм взаимодействия конкреций с твердыми частицами жидких илов: уже при концентрации глинистых частиц в 0,5–1 % могут образовываться агрегаты в виде цепочек, постепенно образующие трехмерную сетку, которая обладает эластичными свойствами. Аналоги — полимеры, т. е. пластики с гибкими цепями молекул. Нижняя часть конкреции, лежащая на подобной сетке и несколько вдавливающая ее собственным весом, испытывает большее давление со стороны частиц сетки, чем верхняя часть. Ведь верхняя часть не касается сетки и подвержена только гидростатическому давлению. Вывод: невидимая сетка поддерживает конкреции над слоем ила.
Но не всегда конкреции лежат на поверхности слоя осадков. Некоторые все‑таки проваливаются в ил. Поэтому кое — где на дне океана имеется несколько слоев конкреций, иногда до четырех — пяти слоев.
Почему так происходит? Точно не известно. Может быть, это связано с высокой скоростью осадкообразования. Не везде в океане слой осадков увеличивается со скоростью 1 мм в тысячу лет. Есть районы, где в год прибавляется 1 см, а иногда — и 10 см осадков. Может быть, при такой большой нагрузке конкреции все‑таки притапливаются?
Возможно, погружение конкреций в ил связано с уменьшением упругости иловой сетки. Или полной потерей, исчезновением сетки? Такое может случиться, если слой ила почему‑либо затвердеет или подводное течение вымоет его из‑под конкреций. Вывод: пока ил вязкий, он поддерживает конкреции, а как затвердел, конкреции заносит новыми порциями ила. Все это не более чем гипотезы.
Не все океанологи согласны с описанным механизмом непотопляемости конкреций. Некоторые ученые думают, что они не тонут в слое ила благодаря тому, что их изредка встряхивает подъемная сила, вызванная гидродинамическим ускорением. Как теперь стало известно, оно может возникать благодаря турбулентности придонных потоков, образующихся на больших глубинах океана.
Гидротермы и климат Земли. Гидротермы выделяют большое количество углекислого газа. Он поступает в атмосферу из гидротермальных струй. Обогащение атмосферы углекислотой приводит к «парниковому» эффекту, что делает климат Земли более теплым и влажным. Повышенное содержание углекислого газа в атмосфере действует так же, как пластиковая пленка над парником. Через нее к Земле проходят лучи Солнца. А тепловые потери за счет собственного инфракрасного излучения Земли значительно уменьшаются, так как углекислота задерживает инфракрасные лучи. Поэтому на поверхности Земли становится теплее, как в парнике под пленкой.
