Подводные оползни — это морские оползни , которые перемещают осадки через континентальный шельф и в глубины океана . Подводный оползень начинается, когда направленное вниз напряжение (гравитация и другие факторы) превышает сопротивление материала склона морского дна, вызывая движения вдоль одной или нескольких вогнутых или плоских поверхностей разрыва. Подводные оползни происходят в самых разных условиях, включая плоскости с уклоном до 1°, и могут нанести значительный ущерб как жизни, так и имуществу. Недавние достижения были достигнуты в понимании природы и процессов подводных оползней с помощью использования гидролокатора бокового обзора и других технологий картирования морского дна. [1] [2] [3]
Подводные оползни имеют разные причины, которые связаны как с геологическими свойствами материала оползня, так и с временными факторами окружающей среды, влияющими на подводную среду. Обычные причины оползней включают: i) наличие слабых геологических слоев, ii) избыточное давление из-за быстрого накопления осадочных отложений , iii) землетрясения , iv) нагрузка штормовых волн и ураганы , v) диссоциация газовых гидратов , vi) просачивание грунтовых вод и высокое давление поровой воды, vii) ледниковая нагрузка, viii) рост вулканических островов и ix) чрезмерное увеличение крутизны. [1] [2] [3]
Наличие слабых геологических слоев является фактором, способствующим подводным оползням на всех уровнях. Это было подтверждено с помощью визуализации морского дна, такой как батиметрическое картирование полосы обзора и данные 3D сейсмического отражения . Несмотря на их повсеместность, очень мало известно о природе и характеристиках слабых геологических слоев, поскольку они редко подвергались отбору проб и на них проводилось очень мало геотехнических работ. Примером оползня, вызванного слабыми геологическими слоями, является оползень Сторегга недалеко от Норвегии , общий объем которого составил 3300 км 3 . [3] [4]
Избыточное давление из - за быстрого осаждения осадков тесно связано со слабыми геологическими слоями. Пример оползней, вызванных избыточным давлением из-за быстрого осаждения, произошел в 1969 году в дельте реки Миссисипи после того, как ураган Камиль обрушился на регион. [2]
Землетрясения являются ключевым фактором, который вызывает большинство крупных подводных оползней. Землетрясения оказывают значительное экологическое давление и могут способствовать повышению давления поровой воды, что приводит к обрушению. Землетрясения спровоцировали оползень на Гранд-Бэнкс в 1929 году, когда после землетрясения начался подводный оползень площадью 20 км3. [ 3] [5]
Штормовая волна и ураганы могут привести к подводным оползням в мелководных районах и были признаны одним из факторов, способствовавших оползням, произошедшим в дельте Миссисипи в 1969 году после урагана Камилла . [2]
Ряд исследований показали, что газовые гидраты залегают под многими подводными склонами и могут способствовать возникновению оползня. Газовые гидраты — это похожие на лед вещества, состоящие из воды и природного газа, которые стабильны при температуре и давлении, обычно встречающихся на морском дне. Когда температура повышается или давление падает, газовый гидрат становится нестабильным, позволяя части гидрата диссоциировать и выделять пузырьковую фазу природного газа . Если поток поровой воды затруднен, то эта газовая зарядка приводит к избыточному давлению поровой воды и снижению устойчивости склона. Считается, что диссоциация газового гидрата способствовала оползням на глубине от 1000 до 1300 м у восточного побережья Соединенных Штатов и оползню Сторегга у восточного побережья Норвегии . [2] [6]
Просачивание грунтовых вод и повышенное давление поровой воды могут вызвать подводные оползни. Повышенное давление поровой воды приводит к снижению сопротивления трения скольжению и может быть результатом обычных процессов осадконакопления или может быть связано с другими причинами, такими как землетрясения, диссоциация газового гидрата и ледниковая нагрузка. [3]
Разрушение осадочных пород на ледниковых окраинах в результате ледниковой нагрузки является обычным явлением и проявляется в широком спектре измерений, начиная от относительно небольших процессов истощения массы во фьордах до крупномасштабных оползней, охватывающих несколько тысяч квадратных километров. Факторами, которые имеют значение при оползнях, вызванных ледниковой нагрузкой, являются изгибание коры из-за нагрузки и разгрузки колеблющегося ледяного фронта, изменение дренажа и просачивания грунтовых вод, быстрое отложение малопластичных илов , быстрое образование морен и тилла над гемипелагическими интерстаидальными отложениями. Примером, когда ледниковая нагрузка приводит к подводному оползню, является оползень Нюк в северной Норвегии . [2] [7] [8]
Обвалы склонов из-за роста вулканических островов являются одними из крупнейших на Земле, охватывая объемы в несколько кубических километров. Обвал происходит, когда большие тела лавы образуются над слабыми морскими отложениями, которые склонны к обрушению. Обвал особенно распространен на сооружениях высотой более 2500 м, но редок на сооружениях высотой менее 2500 м. Различия в поведении оползней значительны, некоторые оползни едва поспевают за ростом в верхней части вулкана, в то время как другие могут устремляться вперед на большие расстояния, достигая длины оползня более 200 км. Подводные оползни вулканических островов происходят в таких местах, как Гавайские острова [1] [9] [10] и острова Зеленого Мыса. [11]
Чрезмерная крутизна возникает из-за размыва, вызванного океаническими течениями , и может привести к возникновению подводных оползней. [2]
В некоторых случаях связь между причиной и возникшим оползнем может быть совершенно ясна (например, обрушение слишком крутого склона), в то время как в других случаях связь может быть не столь очевидной. В большинстве случаев более одного фактора могут способствовать возникновению оползня. Это отчетливо видно на норвежском континентальном склоне, где расположение оползней, таких как Storegga и Traenadjupet, связано со слабыми геологическими слоями. Однако положение этих слабых слоев определяется региональными вариациями в стиле седиментации, который сам по себе контролируется крупномасштабными факторами окружающей среды, такими как изменение климата между ледниковыми и межледниковыми условиями. Даже при рассмотрении всех вышеперечисленных факторов в конечном итоге было подсчитано, что для возникновения оползня необходимо землетрясение. [1] [3]
Места, в которых обычно встречаются подводные оползни, — это фьорды , активные речные дельты на континентальной окраине , системы подводных каньонов, открытые континентальные склоны , а также океанические вулканические острова и хребты. [1]
Существует множество различных типов подводных массовых перемещений. Все эти перемещения являются взаимоисключающими, например, оползень не может быть падением. Некоторые типы массовых перемещений, такие как оползни, можно отличить по нарушенной ступенчатой морфологии, которая показывает, что было только незначительное перемещение обрушившейся массы. Смещенный материал на оползне перемещается по тонкой области высокой деформации. В потоках зона оползня останется открытой, а смещенная масса может отложиться на расстоянии сотен километров от источника оползня. Смещенный осадок падения будет в основном перемещаться по воде, падая, подпрыгивая и катясь. Несмотря на разнообразие различных оползней, присутствующих в подводной среде, только оползни, обломочные потоки и мутные потоки вносят существенный вклад в гравитационный перенос осадка. [2] [3]
Недавние достижения в области трехмерного сейсмического картирования позволили получить впечатляющие изображения подводных оползней у берегов Анголы и Брунея , на которых подробно показаны размеры перемещенных блоков и то, как они перемещались по морскому дну. [12] [13]
Первоначально считалось, что подводные оползни в связных отложениях систематически и последовательно развиваются вниз по склону от оползня к грязевому потоку и мутному потоку через медленно увеличивающуюся дезинтеграцию и захват воды. Однако теперь считается, что эта модель, вероятно, является чрезмерным упрощением, поскольку некоторые оползни перемещаются на многие сотни километров без заметного изменения в мутные потоки, как показано на рисунке 3, в то время как другие полностью превращаются в мутные потоки вблизи источника. Это изменение в развитии различных подводных оползней связано с развитием векторов скорости в перемещенной массе. Местное напряжение, свойства осадка (особенно плотность) и морфология разрушенной массы определят, остановится ли оползень на коротком расстоянии вдоль поверхности разрыва или превратится в поток, который перемещается на большие расстояния. [1] [2]
Первоначальная плотность осадка играет ключевую роль в мобилизации в потоки и расстояниях, которые будет проходить оползень. Если осадок представляет собой мягкий, жидкий материал, то оползень, скорее всего, будет перемещаться на большие расстояния, и возникновение потока более вероятно. Однако, если осадок более жесткий, то оползень будет перемещаться только на короткое расстояние, и возникновение потока менее вероятно. Кроме того, способность к течению может также зависеть от количества энергии, переданной падающему осадку в течение всего события обрушения. Часто крупные оползни на континентальной окраине сложны, и компоненты оползня, потока обломков и мутного течения могут быть очевидны при изучении остатков подводного оползня. [1] [2] [6] [13]
Основными опасностями, связанными с подводными оползнями, являются прямое разрушение инфраструктуры и цунами .
Оползни могут иметь значительные экономические последствия для инфраструктуры, такие как разрыв волоконно-оптических подводных кабелей связи и трубопроводов, а также повреждение морских буровых платформ , и могут продолжаться дальше при углах наклона всего 1°. Пример повреждения подводного кабеля был обнаружен при оползне Гранд-Бэнкс в 1929 году, когда оползень и вызванный им мутный поток разорвали ряд подводных кабелей на расстоянии почти 600 км от начала оползня. [1] [3] [5] Дальнейшее разрушение инфраструктуры произошло, когда ураган Камилла обрушился на дельту Миссисипи в 1969 году, вызвав оползень, который повредил несколько морских буровых платформ. [2]
Подводные оползни могут представлять значительную опасность, когда они вызывают цунами. Хотя различные типы оползней могут вызывать цунами, все возникающие цунами имеют схожие характеристики, такие как большие накаты вблизи цунами, но более быстрое затухание по сравнению с цунами, вызванными землетрясениями. Примером этого было оползневое цунами 17 июля 1998 года в Папуа-Новой Гвинее , когда волны высотой до 15 м обрушились на 20-километровый участок побережья, убив 2200 человек, однако на больших расстояниях цунами не представляло большой опасности. Это связано со сравнительно небольшой областью источника большинства оползневых цунами (по сравнению с областью, затронутой крупными землетрясениями), что приводит к образованию волн с более короткой длиной волны. На эти волны в значительной степени влияет прибрежное усиление (которое усиливает локальный эффект) и радиальное затухание (которое уменьшает дистальный эффект). [3] [14]
Размер цунами, вызванных оползнем, зависит как от геологических деталей оползня (таких как его число Фруда [15] ), так и от предположений о гидродинамике модели, используемой для моделирования генерации цунами, поэтому они имеют большую неопределенность. Как правило, цунами, вызванные оползнем, затухают быстрее с расстоянием, чем цунами, вызванные землетрясением, [16] , поскольку первые, часто имеющие дипольную структуру в источнике, [17] имеют тенденцию распространяться радиально и имеют более короткую длину волны (скорость, с которой волна теряет энергию, обратно пропорциональна ее длине волны, другими словами, чем длиннее длина волны , тем медленнее она теряет энергию) [18] , в то время как последние рассеиваются мало, распространяясь перпендикулярно разлому источника . [19] Проверка правильности данной модели цунами осложняется редкостью гигантских обрушений. [20]
Недавние открытия показывают, что природа цунами зависит от объема, скорости, начального ускорения, длины и толщины оползня. Объем и начальное ускорение являются ключевыми факторами, которые определяют, сформирует ли оползень цунами. Внезапное замедление оползня также может привести к более крупным волнам. Длина оползня влияет как на длину волны, так и на максимальную высоту волны. Время перемещения или дальность выбега оползня также будут влиять на результирующую длину волны цунами. В большинстве случаев подводные оползни заметно субкритичны, то есть число Фруда (отношение скорости оползня к распространению волны) значительно меньше единицы. Это говорит о том, что цунами будет удаляться от оползня, создающего волну, предотвращая нарастание волны. Обрушения на мелководье, как правило, приводят к более крупным цунами, поскольку волна более критична, поскольку скорость распространения здесь меньше. Кроме того, более мелкие воды, как правило, находятся ближе к берегу, что означает меньшее радиальное затухание к тому времени, когда цунами достигает берега. Напротив, цунами, вызванные землетрясениями, более опасны, когда смещение морского дна происходит в глубоком океане, поскольку первая волна (на которую меньше влияет глубина) имеет более короткую длину волны и увеличивается при перемещении из более глубоких вод в более мелкие. [3] [14]
Последствия подводного оползня для инфраструктуры могут быть дорогостоящими, а вызванное оползнем цунами может быть как разрушительным, так и смертоносным.
Гигантские горки вдоль норвежского побережья
Оползень Storegga является одним из крупнейших недавних подводных оползней, обнаруженных в мире. Как и многие другие подводные оползни из Северной Атлантики, он датируется плейстоценом - голоценом. Было установлено, что такие крупные подводные оползни чаще всего происходят либо во время оледенения Северного полушария (NHG), либо во время дегляциации. [24] [25] [26] [27] Во время ледникового или дегляциального времени ряд геологических процессов интенсивно изменил мелководную структуру подводной континентальной окраины. Например, изменение уровня моря во время оледенения и сопутствующее падение уровня моря вызывают усиленные эрозионные процессы. Наступающие или отступающие ледники размывали континент и поставляли огромное количество осадков на континентальный шельф. Эти процессы привели к образованию конусов выноса желобов, похожих на дельты речных конусов выноса. Большое накопление осадков способствовало обрушению склонов, которые наблюдаются в подповерхностной структуре в виде сложенных друг над другом потоков обломков. Скольжение часто происходило вдоль слабых слоев, которые имели меньшую прочность на сдвиг из-за более высокого эффективного внутреннего порового давления, например, из-за растворения газогидрата, других жидкостей или просто ослабления из-за контрастных свойств осадков в последовательности осадков. Землетрясения, вызванные изостатическим отскоком из-за ослабевающих ледников, обычно считаются окончательными триггерами оползня.
В последние годы в нескольких местах подземной геологической летописи норвежской континентальной окраины с использованием геофизических методов была обнаружена серия гигантских отложений массопереноса (MTD), которые по объему намного больше отложений оползня Сторегга. Эти MTD превосходят по размеру любые обрушения склонов самых молодых высоколедниковых времен. Отдельные отложения достигают толщины до 1 км, а самые крупные имеют длину до 300 км. Внутренняя структура, отображенная сейсмическими методами, иногда показывает прозрачный или хаотичный характер, указывающий на распад оползневой массы. В других примерах субпараллельная слоистость подтверждает связное скольжение/проваливание в больших масштабах. Локальные избыточные давления указываются диапировыми структурами, указывающими на гравитационное субвертикальное движение богатых водой осадочных масс. Бассейны Норвегии и Шпицбергена содержат несколько таких гигантских MTD, которые охватывают возраст от плиоценового возраста в 2,7-2,3 млн лет до ~0,5 млн лет. В Лофотенской котловине были обнаружены похожие гигантские MTD, но в этом случае все оползни моложе ~1 млн лет. [28] Продолжаются споры о возникновении гигантских оползней и их связи с оледенением Северного полушария.