ГЕОМОРФОЛОГИЯ
< 1 январь-март 2008
УДК 551.4.08^511.462.33
© 2008 г. A.B. ИЛЬИН
О ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НА ДНЕ ОКЕАНА (СТ. 2. ОСНОВЫ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАХОРОНЕНИЯ РАО)
По современным представлениям дно Мирового океана делится на ряд крупных геоморфологических провинций: шельф, материковый склон, материковое подножие, срединно-океанические хребты и абиссальные равнины [1]. Поскольку сам термин "захоронение" предполагает погребение контейнеров с РАО под чехлом донных отложений, рассмотрим указанные провинции с этой точки зрения.
Шельф сразу отпадает, поскольку на нем практически не накапливаются донные осадки, а сносятся, в основном, на большие глубины. Абиссальные равнины и срединно-океанические хребты имеют маломощный покров донных отложений и характеризуются малыми скоростями осадконакопления (1-2 см/1000 лет). Поэтому они не могут служить местами захоронения отходов.
Остаются две провинции - материковый склон и материковое подножие. Здесь накоплены толщи донных отложений мощностью (толщиной) до 10-15 км. Именно подножие материкового склона или материковое подножие - в высшей степени, перспективная геологическая провинция для захоронения РАО.
Такая перспектива определяется характером рельефа подводной окраины материка, составом донных отложений и особенностями литодинамических процессов в пределах материкового склона.
Материковый склон занимает примерно 15% площади дна океана и характеризуется большим разнообразием морфологии. Самое простое выражение материкового склона представлено элементарной наклонной поверхностью или откосом (рис. 1). Средний угол наклона таких откосов 3-4°. Высота материкового склона составляет, в среднем, 3-4 км, но существенно колеблется от места к месту. В районах глубоководных желобов она достигает 8-10 км. Средняя ширина склона равна 70 км, но также характеризуется пространственной изменчивостью. Рельеф материковых склонов осложнен субгоризонтальными террасами, подводными каньонами и другими формами рельефа. Основные этапы эволюции материкового склона показаны на рис. 2. На первом из них (а) материковый склон напоминал беспорядочное нагромождение тектонических глыб, хребтов, котловин, сбросовых уступов, грабенов. Такое разнообразие первичного рельефа склона было связано с расколом континентальных блоков в начальной стадии дрейфа материков. Следующий этап (б) характеризовался активными процессами осадконакопления, которые выравнивали первичный тектонический рельеф, заполняя впадины донными отложениями. И, наконец, (в), все тектонические формы оказались под мощным чехлом рыхлых осадков. Современные динамические процессы постоянно перераспределяют и перемещают осадочный материал по наклонной поверхности дна. Основными формами рельефа на этой стадии развития материкового склона становятся подводные каньоны и мощные блоки подводных оползней. Подводные каньоны являются руслами суспензионных потоков, которые выносят огромные массы донных осадков к подножию материкового склона и далее - в глубоководные океа-
60° 30° 0°
Рис. 1. Общий вид материкового склона Атлантического океана [1]
нические котловины. Подводные оползни остаются лежать непосредственно у подножия склона. Оползни и суспензионные потоки - главные агенты литодинамики материкового склона, формирующие особую морфологическую провинцию дна океана -материковое подножие.
Рис. 2. Основные этапы формирования материкового склона
Стадия: А - тектоническая, как следствие разрыва континентов, Б - начальная сглаживания тектонического рельефа осадками, В - зрелая заполнения неровностей склона донными осадками с характерными формами рельефа - оползнями и подводными каньонами
Ширина материкового подножия достигает 300-400 км, но в ряде районов оно развито слабо или отсутствует. Максимальное развитие материковое подножие получило в Атлантическом, Индийском и Северном Ледовитом океанах. В пределах материкового подножия сосредоточена основная масса осадочного материала, находящегося в океане.
Донные отложения материкового склона и материкового подножия представлены, главным образом, алевритовыми и глинистыми частицами с размерами 0.01-0.1 мм. Наибольшее значение для понимания динамических процессов на материковом склоне имеют показатели объемного веса (плотности), влажности, пористости, пределов пластичности, текучести, общего сцепления или пластической прочности осадков [1].
Объемный вес донных отложений материкового склона и подножия колеблется от 1.1 до 1.7 г/см3. Влажность характеризуется значениями 60-80%. Пористость имеет те же параметры. Осадки исключительно пластичны. Верхний предел пластичности лежит намного ниже значений естественной влажности. Он составляет примерно 40%. Это значит, что осадки материкового склона и материкового подножия находятся в текучем или скрыто-текучем состоянии. Особенно важны характеристики общего сцепления осадков или параметры сопротивления сдвигу. На материковом склоне и подножии они редко превышают 100 г/см2. Нередко эти значения уменьшаются до нескольких граммов на 1 см2. Это значит, что металлический шарик диаметром 1 см и массой 10 г не сможет удержаться на поверхности такого осадка и утонет. Показатели сцепления терригенных осадков, которыми, в основном, сложены материковые склоны, вдвое ниже, чем у карбонатных. Такие характеристики физических свойств осадков свидетельствуют о высокой потенциальной способности грунтов к перемещениям. В спокойном состоянии алевритово-глинистые илы удерживаются силами внутреннего сцепления. Но при нарушении естественной структуры механические свойства осадков резко меняются и показатель сцепления может падать до нуля.
Таким образом, в морских осадках (илах) любые деформации релаксируют в короткие сроки, а трещиноватость твердых кристаллических и осадочных пород на материках, напротив, сохраняется в течение длительных периодов геологической истории.
Материковый склон - зона интенсивной динамики геологических процессов, несравнимой ни с какой другой геоморфологической зоной дна океана. Причины понятны. Это перепад глубин в 3-4 км от бровки шельфа до подножия склона, относительно крутые склоны и тонкие алевритовые и глинистые осадки, с предельно низким внутренним сцеплением. При определенных условиях - сейсмических толчках, землетрясениях, превышениях нагрузок на осадок возникают многообразные подвижки донных отложений (рис. 3). Перемещение донных отложений, как упоминалось, происходит в результате развития суспензионных потоков и оползней.
Время распространения звука, с 0
Рис. 3. Различные проявления оползневых форм рельефа
А - подводные оползни в нижней части материкового подножия Северной Америки, Б - гравитационные складки на материковом склоне западной части Мексиканского залива, В - гравитационная складочность в районе развития оползня Гумбольдта на траверзе северной Калифорнии [2-4]
Первые сведения о суспензионных потоках относятся к 1885 г., когда на дне Женевского озера были замечены течения мутной воды с избыточной плотностью 1.01 г/см3. Затем они были обнаружены в других водных бассейнах. Важным признаком существования суспензионных потоков является мелководная фауна, обнаруженная на больших глубинах и градационная структура осадков. Такие осадки были названы турбидитами. В вертикальном разрезе турбидитов нижние горизонты сложены грубозернистыми отложениями, верхние тонкозернистыми. Это значит, что из потока первыми выпадают крупные фракции осадка, затем - тонкие.
Суспензионные потоки на материковом склоне обладают большой энергией. С давних пор известны разрывы телеграфных и телефонных кабелей, проложенных по дну океана. Например, за 30 лет перед устьем р. Магдалена кабель обрывался 15 раз. Причины стали известны недавно. Оказалось, что обрывы приурочены к смещениям масс донных отложений по материковому склону. Особенно характерный пример в этом отношении представляет склон Большой Ньюфаундлендской банки в Атлантическом океане. Во время землетрясения 1929 г. кабель, проложенный на склоне банки, был разорван многократно. При этом первым был поврежден кабель, расположенный в верхней части склона и далее - все ниже расположенные. С учетом известных расстояний между кабелями были рассчитаны скорости суспензионного потока. По соответствующим оценкам они составили ~70 км/час. Мощность потока была 30-70 м, а плотность - 1.1 г/см3.
Массы осадочного материала, переносимого суспензионными потоками, характеризуются гигантскими объемами. Суспензионный поток к западу от о-ва Медвежий в Баренцевом море распространился на площади 1880 км2 и образовал линзу осадков мощностью 50 м. По некоторым расчетам с бровки шельфа на материковый склон был перенесен объем осадков 18 км3. При этом последовательное наращивание осадочной толщи происходило импульсами, каждые 35-75 лет. Эти процессы происходили сравнительно недавно - в течение последнего ледникового максимума [5, 6]. В пределах упомянутой линзы осадков покоится атомная подводная лодка "Комсомолец" и вероятность подвижек рыхлых осадков в этом районе нельзя исключать.
Непременным условием образования крупного суспензионного потока должен быть оползень. Оползень смещает массу рыхлых отложений, которые при своем движении смешиваются с водой, как это происходит с селевыми потоками на суше. Образуется суспензия плотностью до 1.1 г/см3. Такая суспензия под действием силы тяжести способна распространяться на большие расстояния. Там где склон выполаживает-ся, поток прекращает движение, и из него выпадают массы осадка, формирующие гигантские конусы выноса (рис. 2).
Масштабы суспензионных потоков определяются размерами оползня, которые сами по себе представляют внушительный фактор, изменяющий конфигурацию морского дна. Впервые оползневые явления были установлены в 1930-х годах русским академиком А.Д. Архангельским [7]. В грунтовых колонках, полученных со склонов дна Черного моря, он обнаружил нестратифицированный, перемешанный материал без признаков какой-либо градационной слоистости. В настоящее время известно, что 70% донных осадков Черного моря имеют оползневую природу, а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.