Реферативно-исследовательская работа на тему: Подводный вулканизм.

Проектно-исследовательская работа

На тему: «ПОДВОДНЫЙ ВУЛКАНИЗМ. «ЧЁРНЫЕ И БЕЛЫЕ КУРИЛЬЩИКИ» И ИХ АНАЛОГИ НА СУШЕ»

А.Е. Вяткина

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №30 г. Томска

Автор: Вяткина Анастасия Евгеньевна, ученица МАОУ СОШ №30, 9 «А» класса

Руководитель: учитель географии Соломина Дарья Вячеславовна (с/тел. 8-952-804-21-99), e-mail: solomina.darya@inbox.ru

Содержание

Введение…………………………………………………………………..……………………3

1. Общая характеристика подводных извержений………………….………………….4

   1. Типы подводных извержений……………………………………………... 4

   2. Сейсмические пояса ………………………………………………………..7

2. Географическое распространение и тектоническая приуроченность………………9

3. Продукты извержения………………………………………………………………..10

4. «Черные и белые курильщики»……………………………………………………....11

   1. История открытие природных гидротермальных построек..……………11

   2. Химический процесс в гидротермалях……………………………………12

   3. Происхождение рудного вещества в "Черных курильщиках"………...…14

5. Аналоги «Черных и Белых курильщиков» на суше…..……………………………….16

Заключение……………………………………………………………………………………..17

Список используемой литературы……………………………………………………………18

Введение

Наш рассказ все время ведется об извержениях вулканов, расположенных на суше: на материке или на островах. Но ведь большая поверхность Земли покрыта океанами и морями. На дне океанов действует множество вулканов в разных областях земного шара. Но данные о том, как происходят подводные извержения, каковы там химические и физические процессы, пока очень незначительны. Совершенно ясно, что под влиянием давления громадной толщи воды извержение вулканов должно иметь иной характер. Можно охарактеризовать лишь подводные извержения вулканов, происходящие на небольшой глубине, на мелководье. Такие извержения ученые неоднократно наблюдали на Азорских островах, в Исландии, на Филиппинах.

Лучше всего изучено подводное извержение, начавшееся 14 ноября 1963 г. в Атлантическом океане недалеко от Исландии. Возникший в результате извержения небольшой островок был назван Суртсэем, по имени Сурта - подземного великана, героя древнеисландских, саг. 14 ноября в 6 ч утра в 10 км к югу от архипелага Вестманнаэйяр из воды начались выбросы черного пепла. Не было грохота, характерного для наземных извержений, все происходило в странной тишине. Были слышны лишь приглушенные подземные взрывы. Выбросы пепла происходили в трех местах на расстояний 400 м друг от друга и достигали высоты 60 м. Соприкосновение поднимающейся магмы с морской водой приводило к бурному образованию пара. Смесь пара с пеплом взлетала вверх на высоту 120-150 м своеобразными столбами в форме кипариса или островерхой ели. Эти выбросы ученые так и называют кипарисовидными струями. Если взрыв зарождался близко от поверхности, то струи опускались в виде плавно изогнутых перьев петушиного хвоста. Тучи пара и дыма поднялись над водой на высоту до 3 км. Но постепенно накапливалось количество выброшенного материала из жерл, и над поверхностью моря появился гребень из пепла и вулканических бомб высотой 60 м и длиной 600 м.

1. Общая характеристика подводных извержений

Вулканизм - одно из наиболее грандиозных явлений природы, определяющих облик нашей планеты. В результате вулканических извержений за несколько дней и даже часов вырастают новые вулканы, появляются вулканические острова, изливаются в виде лавовых потоков или выбрасываются вулканическими взрывами миллионы и даже миллиарды тонн расплавленного материала.

Породы магматического происхождения - излившиеся лавы, продукты извержения, застывшие на глубине магматические тела - составляют более 2/3 объема земной коры. По данным сейсмических исследований, залегающий под осадками так называемый «второй слой» океанической коры почти целиком сложен подводными базальтовыми лавами.

Вулканизм островных дуг и активных окраин континентов также вносит существенный вклад в формирование континентальной коры.

Таким образом, вулканы служат основными поставщиками вещества из недр Земли на ее поверхность [1].

1. Типы подводного вулканизма

В настоящее время принято выделять четыре основные типа современного вулканизма ложа океана и его обрамления:

• океанический рифтовый вулканизм, (характерный для рифтовых зон срединно-океанических хребтов),

• вулканизм островных дуг и активных окраин континентов,

• вулканизм внутриокеанических островов,

• вулканизм окраинных морей.

Области наземного и подводного вулканизма пространственно совпадают с сейсмоактивными районами и районами повышенного теплового потока из недр Земли. Иными словами, вулканы характерны для тектонически наиболее подвижных, механически ослабленных зон земной коры [1].

Океанический рифтовый вулканизм

Рифтовый вулканизм океанов характерен для рифтовых зон срединно-океанических хребтов и локализован на границе между раздвигающимися плитами.

В рифтовых зонах преобладают лавовые излияния трещинного типа. Именно они формируют протяженные цепочки вулканических куполов высотой 200-300 м и длиной 2-4 км при ширине около 0,5 км.

Продукты современной подводной вулканической деятельности в рифтовых зонах представлены, главным образом, однородными по химическому составу базальтами. Особенно четко однородность состава проявляется в свежих базальтах с незначительным числом крупных кристаллов. Тем не менее, среди лав рифтовых зон встречаются минералогические разновидности. Их появление связано с кристаллизационной дифференциацией магмы. По степени раскристаллизации вещества и соотношению количества крупных кристаллов здесь выделяют порфировые и афировые базальты.

В результате океанического рифтового вулканизма формируется второй слой океанической коры средней мощностью около 1,5 км. Он на 2/3 своего объема сложен вулканическими породами. Скорость раздвижения (спрединга) океанической коры в обе стороны от рифтовой зоны составляет в среднем 3 см в год. Таким образом, при протяженности срединно-океанических хребтов 65 тыс. км общая «производительность» всех вулканов рифтовых зон составит в среднем 4 км³ г [1].

Вулканизм внутриокеанических островов

Практически все острова и подводные горы внутренних частей океанов либо являются активными вулканами, либо были ими в прошлом. Обычно они образуют линейные цепи островов и подводных гор. Причем активный вулканизм проявляется на одном конце такой цепи, а с удалением от активного центра возраст вулканов увеличивается. Например, Гавайские острова вместе с Императорским подводным хребтом образуют единую цепь. Эта цепь тянется от о-ва Гавайи до зоны, где сходятся Курило-Камчатская и Алеутская островные дуги. Активные вулканы в этой цепи имеются лишь на о-ве Гавайи и на востоке о-ва Мауи. К северо-западу от о-ва Гавайи возраст вулканических пород постепенно увеличивается, достигая 40-43 млн. лет в том месте, где сходятся Гавайские о-ва и Императорский подводный хребет. Если двигаться вдоль Императорского хребта на север, возраст их еще увеличится. Вулканические породы, вскрытые скважиной в северной части Императорского хребта, древнее 72 млн. лет.

Увеличение возраста вулканических пород Гавайского хребта явилось отправным моментом для разработки гипотезы «горячих точек». Эту гипотезу предложил Дж. Вильсон и обосновал В. Морган. По мнению Моргана, «горячие точки» являются фиксированными и представляют собой округлые зоны. В этих зонах мантийные струи, поднимающиеся из мантии, достигают поверхности Земли. Над такими мантийными струями возникают активные подводные вулканы. Наращивание вулканов приводит к образованию вулканических островов. Эти острова, как на ленте конвейера, движутся вместе с литосферой плитой, перемещаясь в направлении от рифтовой зоны. В результате такого движения прерывается связь острова с фиксированной мантийной струей и вулкан прекращает свое активное существование. При этом над мантийной струей вновь вырастает новый вулкан. Таким образом, мантийная струя как бы прожигает движущуюся литосферную плиту, оставляя на ней шов в виде вулканического хребта, вернее цепи вулканов. При этом создается эффект миграции вулканизма в направлении, противоположном движению плиты. Изгибы цепей вулканов возникли в результате изменения направления, в котором движется плита.

«Горячие точки» могут располагаться также на границе между раздвигающимися плитами. В этом случае они представляют собой участки повышенной вулканической активности в пределах рифтовых зон. Примерами таких «горячих точек» могут служить Исландия и Азорские о-ва. Вулканические хребты, образовавшиеся в результате деятельности таких вулканов, отходят в обе стороны от рифтовой зоны.

В развитии отдельных вулканов типа «горячих точек» можно выделить главный период и период омоложения. Период омоложения наступает обычно после перерыва в несколько миллионов лет.

Главный период включает в себя несколько стадий:

• стадию образования щитового вулкана,

• кальдерную,

• посткальдерную.

Наибольший объем вулканического материала извергается на стадии щитового вулкана. В течение этой стадии вулкан поднимается с глубины 4-5 км и достигает поверхности океана. Для этой стадии характерны спокойные излияния лав. Эти Лавы имеют низкую вязкость и потому растекаются на большой площади, образуя пологие вулканические сооружения - щитовые вулканы.

Когда вулкан доходит до поверхности океана, спокойные лавовые излияния сменяются вулканическими взрывами. Эти вулканические взрывы принято называть гидромагматическими. Но как только вулкан поднимается над уровнем океана и изливающийся расплав уже не вступает в непосредственный контакт с водой, извержения вновь становятся спокойными. Происходит излияние лав низкой вязкости. Такой тип извержений принято называть гавайским.

На кальдерной стадии в теле вулкана близ его поверхности формируется магматическая камера. Частичное опустошение магматической камеры во время извержений приводит к обрушению верхней части вулкана в образовавшуюся полость. Сформированные таким образом депрессии округлой формы называются кальдерами. На этой стадии изливаются также щелочные базальты, которые более насыщены газами. Таким образом, на кальдерной стадии кроме лавовых излияний наблюдаются и извержения, сопровождающиеся вулканическими взрывами.

Последующей посткальдерной стадии свойственны как взрывные извержения, так и спокойные излияния лавы.

Период омоложения характеризуется излиянием лавы через мелкие побочные конусы на склонах щитовых вулканов. В дальнейшем вулканические острова разрушаются и, опускаясь, превращаются в атоллы.

В южной части Тихого океана существует целый пояс островных и подводных вулканов типа «горячих точек». По меньшей мере, 10 вулканов этого пояса были активны в плейстоцене и голоцене. Пояс состоит из нескольких близко расположенных цепей вулканов. Этот вулканический пояс расположен перпендикулярно рифтовой зоне Восточно-Тихоокеанского поднятия и приурочен к участку, где скорость раздвижения в обе стороны от рифтовой зоны максимальна. В таких участках могут возникать конвективные течения, являющиеся, вероятно, причиной образования данного пояса «горячих точек».

Общий объем вулканического материала, поставляемого на поверхность Земли всеми вулканами типа «горячих точек», вряд ли превышает 0,3-0,4 км³/год. Таким образом, вклад вулканов типа «горячих точек» в транспортировку вещества из недр Земли на поверхность более чем на порядок ниже вклада вулканов рифтовых зон срединно-океанических хребтов [1].

Вулканизм островных дуг и активных окраин континентов

Эти вулканы наиболее широко известны, так как они составляют подавляющее большинство среди вулканов, возвышающихся над уровнем моря. К тому же извержения их часто носят катастрофический характер. Большая часть известных на Земле активных вулканов (по подсчетам А. Ритмана, около 62%) расположена по периферии Тихого океана. Они образуют так называемое Тихоокеанское «огненное» кольцо.

С точки зрения сторонников теории плитовой тектоники, вулканы островных дуг располагаются на краю надвигающейся на континент плиты. Очаги плавления магмы, питающей вулканы, сконцентрированы в слое, где расположены очаги землетрясений (сейсмофокальный слой) и, вероятно, в верхней мантии выше сейсмофокального слоя.

Некоторые вулканы островных дуг в своем раннем развитии прошли через подводную стадию. Современные подводные вулканы наиболее часто встречаются в Идзу-Бонинской и Марианской дугах.

И для подводных, и для наземных вулканов островных дуг характерны эффузивные магматические породы.

Для наземных вулканов островных дуг характерны как спокойные излияния гавайского типа, так и катастрофические взрывы, в результате которых происходит выброс огромного количества вулканического материала.

Причем объем вулканического материала, доставляемого на поверхность вулканами островных дуг, значительно ниже, чем у вулканов срединно-океанических хребтов [1].

Вулканизм окраинных морей

Изучен очень слабо, так как сведения о проявлении вулканической деятельности крайне малочисленны. Мелководные вулканы расположены на коре континентального типа.

Распространение и некоторые особенности проявления землетрясений и вулканизма в пределах морей и океанов имеют определенную специфику. Землетрясения представляют собой результат мгновенного выделения механической энергии, происходящего в толще земной коры или в подкорковой оболочке, в результате возникновения здесь огромных напряжений. При взрывоподобной разрядке этих напряжений из центра возникновения землетрясения - фокуса (гипоцентра) распространяются упругие волны. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром землетрясения [1].

2. Сейсмические пояса

Эпицентры землетрясений располагаются не беспорядочно, а группируются в определенные зоны, или пояса, которые получили название сейсмических поясов. В пределах этих поясов землетрясения не только наиболее часты, но и наиболее разрушительны. На Земле можно выделить три сейсмических пояса:

• 1 пояс охватывает окраины Тихого океана и пространственно полностью совпадает с переходной зоной. Данный пояс образует почти замкнутое кольцо;

• 2 пояс представляет собой сложно разветвленную зону, пространственно соответствующую системе срединно-океанических хребтов;

• 3 пояс охватывает Средиземноморье, горы Южной Азии. Данный пояс сливается с первым в области Индонезийских морей и архипелагов.

Таким образом, особенности распространения сейсмических поясов на поверхности Земли подчеркивают высокую подвижность земной коры в пределах наиболее динамических морфоструктур Мирового океана - переходных зон и срединно-океанических хребтов. Вне их пределов на материковых платформах, за некоторым исключением и на ложе океана землетрясения или вообще не наблюдаются или случаются крайне редко и не приобретают разрушительной силы.

Сейсмичность переходных зон и срединно-океанических хребтов неодинакова. Различают:

• поверхностные землетрясения (глубина гипоцентра до 50 км),

• среднефокусные землетрясения (50-300 км),

• глубокофокусные землетрясения (гипоцентр глубже 300 км от поверхности Земли).

В срединно-океанических зонах отмечены исключительно поверхностные землетрясения. Это возможно связано с неглубоким залеганием мантии под этими зонами. Необходимо отметить, что в зонах срединно-океанических хребтов также отмечаются единичные сильные землетрясения. Наиболее сильные землетрясения приурочены преимущественно к переходным зонам.

Изучение напряжений, возникающих при землетрясениях в окраинной зоне Тихого океана, показало, что примерно 75% землетрясений здесь связано, с горизонтальными подвижками по разломам. Система гигантских разломов наклонена в сторону материков и пронизывает земные недра до глубин порядка 700-750 км. При этом плоскость разлома наклонена примерно под углом 60°.

Под срединно-океаническими структурами плоскости разломов проникают лишь на небольшую глубину. При этом разломы, ограничивающие каждый рифт, имеют встречный наклон плоскостей. Эпицентры имеют тенденцию группироваться на участках пересечений рифтовой зоны с поперечными разломами. Сходное сгущение эпицентров отмечается и в переходных зонах. Большая часть их сосредоточена там, где глубоководные желоба и островные дуги секутся поперечными разломами.

Необходимо отметить, что главные горизонтальные напряжения на большей части периферии Тихого океана направлены к простираниям основных морфоструктур переходных зон (Бениоф, 1966). Исключение составляют Северная и Центральная Америка, а также южная часть Южной Америки, где эти напряжения параллельны морфоструктурам переходных зон. Л. А. Мишарина пришла к выводу, что в пределах системы срединно-океанических хребтов, напротив, главными являются растягивающие горизонтальные или субгоризонтальные напряжения, ориентированные от оси хребтов.

Землетрясения могут вызвать мгновенные и весьма значительные изменения рельефа дна и берегов. Топографические съемки, проведенные после землетрясения в заливе Сагами (Япония) в 1923 г., показали, что произошел некоторый поворот дна залива по направлению часовой стрелки. Причем остров Ошима, расположенный у южной окраины залива, переместился в этом направлении на 3,6 м. Часть берега испытала поднятие на несколько метров, другая часть - погружение. Отдельные участки дна залива мгновенно углубились на 100-180 м, а в северной части залива поднялся подводный гребень высотой до 170 м.

В географическом размещении действующих вулканов наблюдается большое сходство с размещением эпицентров землетрясений. Известно, что примерно 77% действующих вулканов находится в переходных зонах (главным образом на островных дугах), 21% - в пределах ложа океанов и срединно-океанических хребтов.

Подводных гор на дне океана насчитывается более 10 000, подавляющая их часть - это горы вулканического происхождения. Среди них много действующих вулканов.

Активно действующие вулканы, как надводные, так и подводные, встречаются и в пределах ложа океана. Среди них можно назвать вулканы Гавайских островов, островов Самоа, и др.

Вулканизм имеет огромное значение для формирования рельефа дна Мирового океана. Происхождение островных дуг, гигантских океанических вулканических цепей, многих гребней и вершин срединно-океанических хребтов, одиночных подводных гор ложа океана в основном связано с вулканической деятельностью. Ученые предполагают, что в ряде районов дна океана, кроме обычного вулканизма так называемого центрального типа, происходят и извержения трещинного типа.

Различным структурам земной коры свойственны заметные различия в составе магматических продуктов, выделяемых при вулканических извержениях:

• переходным зонам свойственны средние и кислые вулканогенные породы при значительном участии основных пород;

• ложу океана и срединно-океаническим хребтам - основные и ультраосновные породы.

Состав продуктов извержений действующих вулканов на материковых платформах (например, в Восточной Африке), также близок к вулканитам океанического типа. Это свидетельствует о том, что современный вулканизм на континентах и в океанах имеет общий источник питания и общность строения базальтового слоя под материками и океанами [1].

2. Географическое распространение и тектоническая приуроченность

В географическом распределении вулканов намечается определенная закономерность, связанная с новейшей историей развития земной коры. На материках вулканы располагаются главным образом в их краевых частях, на побережьях океанов и морей, в пределах молодых тектонически подвижных горных сооружений. Особенно широко развиты вулканы в переходных зонах от материков к океанам - в пределах островных дуг, граничащих с глубоководными желобами. В океанах многие вулканы приурочены к срединно-океаническим подводным хребтам. Таким образом, основной закономерностью распространения вулканов является их приуроченность только к подвижным зонам земной коры. Расположение вулканов в пределах этих зон тесным образом связано с глубокими разломами, достигающими подкоровой области. Так, в островных дугах (Японской, Курило-Камчатской, Алеутской и др.) вулканы распространены цепями по линиям разломов, преимущественно продольных разломов поперечными и косыми. Некоторая часть вулканов встречается и в более древних массивах, омоложенных в новейший этап складчатости образованием молодых глубоких разломов.

Тихоокеанская зона характеризуется наибольшим развитием современного вулканизма. В ее пределах выделены две подзоны: подзона краевых частей материков и островных дуг, представленных кольцом вулканов, окружающим Тихий океан, и подзона собственно тихоокеанская с вулканами на дне Тихого океана. При этом в первой подзоне извергается преимущественно андезитовая лава, а во второй - базальтовая [3].

3. Продукты извержений

Наступило время, когда человечеству пришлось обратиться к океану как как к хранилищу минеральных ресурсов. Каждая третья тонна добываемой нефти в ниши дни приходится с океанического дна. Железомарганцевые конкреции, лежащие на океаническом дне, возможно, скоро станут поставщиками многих металлов. А в последние годы на дне океана разведаны скопления сульфидных руд. Из таких соединений металлов добывали медь, цинк, кобальт, никель, но до недавних времен считали чистой прерогативой суши и не связывали с океаном и не связывали с океаном. Предполагали, что источник их - это горчи растворы, или гидротермы, вырвавшиеся кипящего котла глубинных земных недр. Поднимаясь к поверхности, соединения осаждаются и скапливаются на стенках трещин земной коры. Так и образовались, например, знаменитые колчеданные месторождения Урала, месторождения цветных металлов на Кавказе и в Средней Азии.

Все началось открытия системы подводных соединенных горных хребтов, проходящих по дну Мирового океана. Согласно широко принятой сейчас теории глобальной тектоники, в осевой части хребтов- рифтовой зоне- изливающиеся на поверхность дна раскаленные базальтовые магмы, приподнимающиеся из недр. Края плит наращиваются новым материалом, при этом плиты раздвигаются в обе стороны от середины хребтов. Контакт горящей 1100-1200° С магмы с придонной холодной морской водой не может, конечно, не вызвать химическую реакцию, и она в гигантских масштабах идет в Мировом океане по всему фронту раздвижения дна. В процессе выщелачивания базальтов металлы, вернее их образование, переходят из базальтов в воду.

К востоку от Галапагосских островов имеется один из источников. Там, на дне, вздымается огромные «факелы» - настоящие железистые и марганцевые вулканов сотни метров высотой. Именно в этом районе помощью подводных аппаратов были обнаружены и первые гидротермальные скопления сульфидных руд в океане. А возле них - удивительные, невиданные до того живые организмы, особая фауна гидротермалей. Главные «персонажи» этих сообществ - вестиментиферы, мертвые, а о и двухмертвые червеобразные существа. Они напоминают шланги красным наконечником- это у них щупальца. Открытие гидротермальных сообществ буквально потрясло ученых. На глубине около двух тысяч метров, в полной темноте, при температуру в 40 С и давлении 200 атмосфер живут благоденствуют организмы! Да еще в условиях сероводородного заражения и высокого содержания ядовитых металлов! Трудно было поверить, что такие существуют на нашей планете. И тем не менее - это реальный мир, привычные условия обитания более чем для сотни видов животных.

В середине 70-х годов, на Восточно-Тихоокеанском поднятии были открыты выходом гидротем с очень высокой температурой растворов, около 350 С. Из выбрасываемого с гидротермами глубинного материала здесь образовались холмы в несколько метров высотой. А на них довольно толстый слой сульфидов. От вершины холмов исходит столбами черный «дым». Это знаменитые «черные курильщики». А происходит там вот что: выходящие на поверхность рудоносные горючи флюиды смешиваются с холодной морской водой, в результате реакция образуется мельчайшие твердые частицы минералов с высоким содержанием металлов.

В Калифорнийском заливе самые крупные сульфидные постройки. Это грандиозное сооружение, уже не холмы, а огромнее в десятки метров высотой и совершенно фантастического вида башни. Снаружи они плотно окутаны «живым одеялом». Это фауна гидротермалей, живые организма. На вершине башни бьют струи горячего раствора, как из труб огромного парохода, валит мощный столб рудного дыма. Его высота достигает 100-150 метров [2].

5. « Черные и белые курильщики»

30 лет назад в океанах были обнаружены участки с активной гидротермальной деятельностью - выходами на поверхность океанического дна горячих рудоносных растворов, формирующих современные месторождения сульфидных руд. Это было, вне всякого сомнения, одно из крупнейших открытий века. Впервые исследователь получил возможность непосредственно наблюдать образование рудных месторождений с подводных обитаемых аппаратов. Гидротермальные растворы далеко разносят рудное вещество, оседающее на океанское дно, образуя металлоносные осадки, сведения о которых в пределах Восточно-Тихоокеанского поднятия поступили около 100 лет тому назад. В настоящее время эти осадки хорошо изучены в некоторых местах, особенно во впадинах Красного моря. Вокруг выходов струй гидротермальных растворов, так называемых черных и белых "курильщиков", была обнаружена фауна, приспособившаяся к высоким температурам и необычным условиям обитания. Для геологов было исключительно важно установить, что современные залежи сульфидных руд в океанах имеют аналоги в древних складчатых областях в виде колчеданных месторождений, и таким образом понять их генезис.

Открытие гидротермальных систем стало возможным только с изобретением в 70-х годах подводных обитаемых аппаратов - маленьких автономных подводных лодок, способных погружаться на глубины в 3-4 км и более [2].

4.1 История открытия природных гидротермальных построек

В 1978 году были открыты высокотемпературные гидротермальные постройки - "черные курильщики" на Восточно-Тихоокеанском поднятии и стало ясно, что именно они являются источниками металлоносных осадков (МО). Глубоководное бурение с кораблей "Гломар Челленджер" и "Джоидес Резолюшн" позволило установить присутствие МО в осадочных толщах океанического дна. Экспедиции с применением подводных обитаемых аппаратов позволили детально описать гидротермальные постройки черных и белых "курильщиков", сделать великолепные снимки и фильмы, благодаря которым каждый из нас может наблюдать это природное явление.

Гидротермы известны в океанических рифтах разного типа строения, находящихся как в начальной стадии своего образования, так и в более зрелых, обладающих низкой, средней и высокой скоростью спрединга - расширения океанического дна. Рифтовые зоны океанов - это глубокие ущелья, располагающиеся вдоль осей срединно-океанических хребтов, они представляют собой дивергентные границы литосферных плит. Повышенный тепловой поток в рифтовых зонах связан с многочисленными, неглубоко залегающими магматическими очагами, из которых и происходят излияния базальтовой магмы, наращивающей океаническое дно.

Калифорнийский залив представляет собой самую молодую стадию зарождения океанического рифта, знаменующую собой раскол Северо-Американского континента, начавшийся 5 млн лет тому назад. За это время новообразованный рифт раскрывался со скоростью 6 см/год, в результате чего он и достиг ширины около 300 км. В 1986 году одна из впадин этого рифта - Гуаймас была детально изучена экспедицией Академии наук СССР на корабле "Академик М. Келдыш".

Калифорнийский рифт обладает крутыми стенками, образовавшимися в результате разломов - сбросов, а самые молодые разломы возникли всего лишь 50-100 тыс. лет назад. Гидротермальное поле, исследованное с помощью наблюдений из подводных обитаемых аппаратов, приурочено к осевой, наиболее трещиноватой части дна рифта и состоит из многочисленных конусовидных построек высотой от первых метров до 50-70 м и диаметром в основании до первых сотен метров, но чаще всего в 20-30 м. Морфология конусов различная. Встречаются крутые конусы с острой вершиной; пологие, с башенкой в верхней части; конусы, меняющие свою крутизну, и т.д. На вершине конусов находится сооружение, напоминающее каменную трубу, из отверстия которой вырывается черная взвесь, похожая на клубы густого дыма, поэтому такие образования и назвали "черными курильщиками". У действующих "курильщиков" температура взвеси, выходящей из отверстий труб, достигала 320° С. Иногда вместо конусов с поверхности дна поднимаются вертикальные колонны высотой 10-25 м, на вершине которых находятся одна или несколько труб. На поверхности башен, колонн и конусов, сложенных шлакоподобным веществом, располагаются, как наросты на березе, бактериальные маты - скопления бактерий, прикрепленных к субстрату, и, кроме того, весьма необычные организмы - вестиментиферы в форме крупных и длинных (1,5-2 м) трубок, белого, красного и зеленого цветов, колышущихся при движении воды как щупальца животного. Эти организмы являются большими трубчатыми червями Riftia pachyptila, верхняя часть которых окрашена в ярко-красный цвет, так называемый султан, а сама трубка обладает перламутрово-белой или зеленоватой окраской. Вокруг построек часто в изобилии распространены очень крупные (до 25 см в длину) матово-белые раковины двустворчатых моллюсков - калиптоген (Calyptogena magnifica), а также кольчатые черви Alvinella pompejana, названные помпейскими, потому что они непрерывно посыпаются, как пеплом, частицами серы из взвеси дымов "черных курильщиков".

Таким образом, гидротермальные постройки на дне океанских рифтов обрастают неповторимым сообществом организмов, приспособившихся к жизни в экстремальных условиях высоких температур и большой концентрации густой взвеси, поступающей из труб на вершинах построек.

Подводные съемки позволили увидеть фантастическую картину многочисленных "черных курильщиков", из труб которых клубами поднимается густой "дым" взвеси, а на поверхности труб и конусов видны белоснежные бактериальные маты и бело-красные извивающиеся трубы вестиментифер. Те формы построек, которые видны на поверхности океанического дна, представляют собой лишь небольшую часть гидротермальной системы, находящейся ниже его уровня. Морские воды, проникая по трещинам и разломам формирующейся рифтовой зоны в литифицированные осадки и базальты океанической коры на многие сотни метров, нагреваются и обогащаются химическими, в том числе рудными элементами. Такие гидротермальные растворы уже активно взаимодействуют с вмещающими породами, изменяя их и превращая в сульфидные руды.

Вся эта сложной формы колонна измененных пород превышает во многих случаях 0,5 км, то есть больше Останкинской телевизионной башни, а в ее центре находятся подводящие каналы, по которым циркулируют гидротермальные растворы, выходя на поверхность дна в виде труб "черных курильщиков" . Таким способом возникают мощные рудные залежи. Весьма поучительно, что в древних месторождениях медноколчеданных руд, например на Урале (Сибайское месторождение) или на Кипре и Ньюфаундленде, геологи находили окаменелые остатки вестиментифер и калиптоген. Но только после обнаружения современных "черных курильщиков" стало ясно, в каких условиях формировались медноколчеданные месторождения геологического прошлого [2].

4.2 Химические процессы в гидротермалях

Благодаря многолетним исследованиям американских и французских ученых (Дж. Эдмонта, К. фон Дамм, Ж. Мишара) химический состав воды "курильщиков" сейчас уже хорошо известен. По изотопному составу водорода и кислорода гидротермальных растворов было доказано, что единственный их источник - это океанская вода, просачивающаяся в трещины пород дна. Однако химический состав воды "курильщиков" существенно отличается от морской вследствие взаимодействия циркулирующей в трещинах воды с породами стенок трещин.

Данные химических анализов показывают, что в большей части исследованных гидротермальных систем главные растворенные компоненты морской воды Cl и Na незначительно меняют свою концентрацию. Взаимодействие с базальтами приводит к практически полному удалению из морской воды Mg (с образованием хлорита и актинолита) и SO₄ , а также U и Р. При этом первичные минералы базальтов разлагаются, и из них в воду переходят в значительных количествах Са, К, SiO₂ , Fe, Mn, H₂S, CO₂ , H₂ и тяжелые металлы Zn, Cu, а также Pb, Ag, Au, Sb, Sr, CH₄ и Не. Поведение К и Li более сложно - при низких температурах они связываются породой (в виде глинистых минералов - смектитов), а при высоких, наоборот, вымываются. В результате взаимодействия с породой морская вода, имевшая изначально нейтральную окислительную реакцию, преобразуется в кислый восстановительный рудообразующий раствор.

Судьба серы, поступающей в гидротермальные системы в составе морской воды, до сих пор не до конца понятна. Нагревание морской воды до температур выше 200°С, по данным экспериментов, вызывает осаждение из нее ангидрита (CaSO₄). Ангидрит такого происхождения в океанских базальтах долго не удавалось обнаружить - по-видимому, он вновь растворяется при остывании гидротермальных систем.

Только когда океанским бурением были вскрыты недра активных гидротермальных систем (скв. 504 В в Коста-Риканском рифте, система Middle Valley на хребте Хуан-де-Фука), ангидрит стали находить в трещинах поднятых кернов горных пород. Вместе с тем общий объем воды, проходящей через гидротермальные системы океана, настолько велик, что это должно было бы вызывать сильное заражение океанской коры серой, чего не наблюдается. Часть морского сульфата может восстанавливаться при реакции с базальтами до Н₂S и затем удаляться через "курильщики", однако изотопный состав сероводорода в "курильщиках" показывает, что "морская" сера составляет в них небольшую часть (10-30%), а преобладает вымытая из пород "магматическая" сера.

При исследовании нескольких гидротермальных систем было обнаружено, что соленость гидротермальных растворов в них существенно (в 2-3 раза) отличается от морской воды как в большую, так и в меньшую сторону. Сейчас доказано, что это следствие вскипания гидротермального раствора в недрах гидротермальной системы, сопровождающегося разделением пароводяной смеси на более минерализованный откипевший рассол и пар. Последний при охлаждении дает опресненный конденсат. Существенным оказалось то, что кипение сопровождается заметным обогащением откипевших растворов металлами. Таким образом, кипение в недрах гидротермальных систем повышает их рудогенерирующий потенциал. До последнего времени считалось, что вскипание гидротермальных растворов вызывает отложение рудных металлов. В гидротермах океана эффект кипения оказался противоположным - металлы вымываются из породы более интенсивно.

Уже в самых первых подводных исследованиях было обнаружено деление "курильщиков" на черные и белые. Разница окрасок "дымов" вызвана разным составом взвеси, образующейся при излиянии гидротермальных растворов в толщу придонных вод. У "черных курильщиков" дым состоит из пирротина и аморфного кремнезема с примесью сульфидов Zn и Cu, а у "белых" - из аморфного кремнезема, ангидрита и барита.

"Черным курильщикам" свойственны большие дебиты (несколько кг/с) и высокие температуры (до 350-365°С), тогда как "белые" характеризуются относительно вялой разгрузкой и температурами не выше 330°С. На начальном этапе исследований предполагалось, что причина этого различия - температурные условия в недрах гидротермальной системы, приводящие к разному составу гидротермальных растворов. Однако оказалось, что по макрокомпонентам химического состава растворов черные и белые "курильщики" практически одинаковы. "Курильщики" обоих типов часто наблюдаются в пределах одной и той же гидротермальной постройки с общим источником питания. Более того, описаны случаи, когда при опробовании с подводного обитаемого аппарата манипулятор отламывал макушку жерла "белого курильщика", после чего дебит жерла резко возрастал и источник переходил в состояние "черного курильщика". Это показало, что первопричина различия - разный характер разгрузки гидротермального раствора. При бурной разгрузке охлаждение начинается с момента излияния и вся рудная нагрузка доходит до устья "курильщика". При медленной разгрузке гидротермальный раствор успевает немного остыть и перемешаться с морской водой еще в теле пористой рудной постройки. При этом значительная часть рудной нагрузки оседает внутри постройки, не доходя до устья источника.

"Черным курильщикам" свойственна очень низкая эффективность рудообразования - по некоторым оценкам, до 95-98 % металлов уходит в "дым" и рассеивается в водной толще океана. У крупных построек, обнаруженных в системе подводного хребта Хуан-де-Фука и на Срединно-Атлантическом хребте, характер разгрузки оказался существенно иным - у них преобладает рассеянная разгрузка со всей поверхности постройки (визуально наблюдавшаяся в виде дрожания воды или муара). Эффективность рудоотложения в этом случае резко увеличивается. Постройка растет как бы изнутри, за счет заполнения рудным веществом пор и каналов. Это приводит, по-видимому, к частым гидроразрывам тела постройки, сопровождающимся брекчированием руд. Такое брекчирование весьма характерно и для древних колчеданных руд, оно часто наблюдается в месторождениях уральского и кипрского типов.

Гидротермальные образования в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, характеризующихся низкой, средней и высокой скоростью спрединга, в целом похожи, хотя существуют и некоторые различия, особенно в структурной приуроченности. Там, где скорость спрединга высокая, гидротермальные образования располагаются внутри осевого, наиболее молодого трога, находящегося в центральной части рифта, причем они связаны с открытыми раздвиговыми трещинами, так называемыми гьярами. Если скорость спрединга низкая и средняя, гидротермальные постройки могут располагаться и вне трещин, например в Срединно-Атлантическом хребте [4].

4.3 Происхождение рудного вещества в "Черных курильщиках"

Откуда берется рудное вещество в гидротермах? Несомненно, что решающую роль играют вулканические породы - базальты океанического дна и процессы извержения базальтов, которые время от времени происходят в рифтовых зонах, наращивая океаническую кору. Как возникают собственно гидротермальные растворы - флюиды? Сама базальтовая магма и базальты содержат крайне мало воды, не более 0,1 вес. %.

Следовательно, основным источником гидротермальных растворов является вода океанов, просачивающаяся в глубь океанической коры, сложенной базальтами. Для такого процесса вполне достаточно даже мелких (до 3 мм шириной) трещин, хотя широко развиты и более крупные, зияющие трещины - гьяры (гьяу - исл.). Подобные трещины могут рассекать всю океаническую кору в осевых зонах срединно-океанических хребтов на глубины в первые км. Так, для Исландии достоверно установлено просачивание океанских вод до 3 км. Факт глубокого проникновения в океаническую кору воды устанавливается и по изменениям - метаморфизму древних аналогов современной океанической коры - офиолитовых комплексов, в которых влияние воды на процессы изменения пород затрагивает слой габбро, залегающий под базальтами, то есть на глубинах в несколько км.

На циркуляцию воды влияет повышенный тепловой поток в рифтовых зонах, способный вызвать ее конвективное перемещение. Неустойчивое состояние воды, когда увеличивается ее объем, достигается при разных температурах в зависимости от давления. Так, при давлении в 250 бар критическая температура равна 375° С, а при Р = 700 бар - примерно 500° С. Такие температуры на глубине делают воду неустойчивой, и она должна устремляться к поверхности, в сторону понижения градиента давления.

Образование трещиноватых зон в базальтах, излившихся на океанское дно, - процесс весьма непростой, так как более молодые лавовые покровы запечатывают более древние, в которых развились трещины. Породы, располагающиеся непосредственно над близповерхностными магматическими очагами в рифтах, глубина залегания которых около 2-4 км, долгое время остаются горячими, и если до их уровня просачивается вода, то, быстро охлаждаясь и уплотняясь, они растрескиваются, что облегчает дальнейшее проникновение воды.

Над очаговая область, по-видимому, является тем местом, где океанская вода, будучи сильно нагретой, активно взаимодействует с породами, извлекая из них ряд элементов. При этом вблизи осевой зоны рифта наблюдаются восходящие струи флюидов, а по его периферии - нисходящие. Под срединно-океаническими хребтами с высокой скоростью спрединга типа Восточно-Тихоокеанского поднятия магматические очаги, залегающие в 2-4 км от поверхности дна, установлены геофизическими методами, тогда как под низкоспрединговыми хребтами магматические очаги пока не выявлены, возможно, в связи с тем, что очаги здесь появляются периодически, а не существуют постоянно и локализованы только под узкой осевой зоной рифта. Температура гидротермальных растворов на выходе из "черных курильщиков" в Восточно-Тихоокеанском поднятии в районе 21° с.ш. находится в пределах от 350° до 400 °С. Когда вода поднимается к поверхности океанского дна и давление быстро падает, тогда из высокотемпературных рудоносных растворов начинают выпадать некоторые химические элементы и уже на выходе из отверстия "черного курильщика" гидротермальный раствор будет относительно низкотемпературным и содержание рудных компонентов в нем будет ниже, чем в высокотемпературном. В начале 90-х годов в Новогвинейском море российской экспедицией были обнаружены гидротермы, в составе пород которых отмечено повышенное содержание золота. Возможно, это связано с там, что гидротермы развивались в обстановке так называемого задугового спрединга, то есть в окраинном море, и поэтому на состав гидротерм влияла континентальная кора, подвергнувшаяся растяжению.

Белые курильщики относительно низкотемпературных гидротермальных источников в гидротермальных полях на океаническом дне. Основным материалом, их слагающим, является ангидрит и другие сульфаты, в отличие от черных курильщиков, в которых преобладают сульфиды и процесс происходит при высоких температурах [4].

6. Аналоги «Черных и Белых курильщиков» на суше

Существуют ли подобные явления на суши? Конечно, однозначно ответить нельзя, но существует процесс извержения так же и на суше, соответственно возможны и подобные явления на суше. Изучив литературу о наземных извержениях вулканов, я обратила внимание на процесс образования фумарол, которые по моему мнению как раз являются аналогами «Черных и белых курильщиков».

Фумаролами называют трещины и отверстия, располагающиеся в кратерах, на склонах и у подножия вулканов и служащие источниками горячих газов. Выход вулканического газа через фумаролы является поствулканическим явлением и свидетельствуют о переходе вулкана в промежуточную между извержениями стадию или его окончательном затухании. Фумаролы подразделяются на сухие высокотемпературные, кислые, щелочно-нашатырные, сернистые, или сероводородные (сольфатары), углекислые (мофеты). Фумарольные дымы большинства остальных фумарол содержат большое количество водяного пара. Его основным источником являются грунтовые воды, разогретые лежащими близко к поверхности слоями магмы и высокотемпературными фумарольными газами.

Помимо воды, через фумаролы выделяется углекислый газ, всевозможные оксиды серы, сероводород, галогеноводороды и другие химические соединения, что делает эти выделения опасными для человека. Тем не менее, насыщенные водой фумарольные дымы - это питательная среда для некоторых видов бактерий, и многие минералы, образующиеся у фумарол, например, самородная сера, имеют биологическое происхождение.

Большое количество фумарол имеется в регионах с активной вулканической деятельностью: в Йеллоустоунском национальном парке и в США, в России (на Камчатке и Курильских островах, в том числе возле вулкана Авачинская сопка</</font> - в том же «Тихоокеанском огненном кольце», где и наблюдается расспростронение «Черных и белых курильщиков»), Исландии, Чили и Китае [7].

Таблица 1

Сравнительная характеристика «Черных и белых курильщиков» и фумарол

Приуроченность

Глубина

Продукты извержения

«Черные курильщики»

1. Подводные вулканы

2. Океанические хребты

3. Зоны океанических разломов

Глубинные 1-2 км

Сульфиды (пирит, халькопирит, галенит, сфалерит)

«Белые курильщики»

Сульфаты (гипс, барит, англезит)

Фумаролы

1. Трещины и отверстия у кратеров

Приповерхностные

Самородная сера

Заключение

Открытие в конце 70-х годов нашего века в рифтовых зонах дна океанов горячих источников, выносящих огромное количество рудного вещества, которое состоит из сульфидов Fe, Cu и Zn, позволило геологам воочию увидеть, каким образом формируются рудные месторождения. "Черные курильщики" распространены в большинстве рифтовых зон океанов. Но рудные залежи образуются не только в гидротермальных постройках. Взвесь, содержащая рудные компоненты, разносится течениями на большое расстояние от "курильщиков", которая, осаждаясь, формирует металлоносные осадки.

Литература

1. Конюхов А.И. Геология океана: загадки, гипотезы, открытия. М.: Наука,1989.208 с.

2. Короновский Н.В. Гидротермальные образования в океане // Наука о земле, 1999.

3. Лисицын А.П. Рудная лаборатория в океане // Наука и жизнь, 1987. № 11. С. 42-48.

4. Ритман А. Вулканы и их деятельность. М.: Мир, 1987.440 с.

5. Сузюмов А.Е. «Черные курильщики» открыты в окраинных морях // Природа, 1987. -№3. -С.117.

6. Электронный ресурс: www: // makvak.com/sportivnyj-turizm/diving/150-sovrimennyj-podvodnyj-vulkanizm (Дата обращения 11.02.2015г.)

7. Электронный ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BC%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B0 (Дата обращения 16.02.2015г.)