Table of Contents

Подводные вулканы, часто называемые подводными вулканами или, в их вымерших формах, подводными горами, являются вулканическими горами, сформированными под поверхностью океана. Хотя они скрыты от прямого наблюдения человека, эти геологические особенности являются одними из самых распространенных и влиятельных структур на Земле. Они играют решающую роль в формировании и обновлении земной коры, вносят значительный вклад в глобальные химические циклы и способствуют развитию разнообразных и уникальных экосистем, процветающих в экстремальных подводных средах. Несмотря на их отдаленные и недоступные местоположения, подводные вулканы резко формируют морфологию морского дна, влияют на глобальные геологические процессы и обеспечивают среду обитания для биологических сообществ, которые бросают вызов нашему пониманию адаптивности жизни. Изучение этих скрытых гигантов предлагает бесценное понимание внутренней динамики Земли, эволюции химии океана и происхождения жизни в, казалось бы, негостеприимных условиях.

Формирование подводных вулканов

Генезис подводных вулканов регулируется теми же тектоническими и магматическими механизмами, которые формируют земные вулканы, в первую очередь движение и взаимодействие тектонических плит Земли и восхождение магмы из мантии, однако подводная среда накладывает различные физические и химические условия, которые влияют на стиль извержений, морфологию вулканических рельефов и природу связанных с ними гидротермальных систем.

Поколение магмы и восхождение под морским дном

Магма образуется в верхней мантии посредством таких процессов, как декомпрессионное плавление и включение летучих веществ, таких как вода. В средних океанических хребтах - расходящихся границах тектонических плит - материал мантии поднимается, чтобы заполнить разрыв, созданный разделением пластин. По мере того, как мантия поднимается, снижение давления снижает ее температуру плавления, вызывая частичное плавление и производя базальтовую магму. Эта магма, будучи менее плотной, чем окружающая твердая порода, перемещается вверх через трещины и пористые зоны, накапливаясь в мелких магматических камерах под океанической корой, прежде чем извергаться на морское дно.

В зонах субдукции, где одна тектоническая плита опускается под другую, вода, выделяемая из субдукционной плиты, понижает температуру плавления мантии, создавая магму, которая часто имеет более высокое содержание кремнезема и летучих газов.Эта магма поднимается, образуя вулканические дуги на дне океана или островных цепях, обычно производя более взрывоопасные извержения, чем в средних океанских хребтах из-за повышенной вязкости магмы и давления газа.

Стили извержения в подводной среде

Подводные вулканические извержения имеют характеристики, заметно отличающиеся от характеристик на суше, в первую очередь из-за огромного гидростатического давления, оказываемого надводной морской водой, которое подавляет расширение вулканических газов, часто приводя к менее взрывоопасным извержениям по сравнению с земными вулканами.

Одним из наиболее распространенных субмарин вулканического происхождения является подушка лава. Это отличительное образование происходит, когда горячая базальтовая лава быстро охлаждается при контакте с холодной морской водой, образуя округленные, взаимосвязанные доли, напоминающие подушки. Эти структуры свидетельствуют о извержениях, происходящих на глубинах, как правило, более 500 метров, где давление достаточно для подавления расширения газа.

В более мелких водах, где гидростатическое давление ниже, извержения могут стать более энергичными и взрывоопасными.Эти извержения производят фрагментированный вулканический материал, известный как вулканические отложения, включая пепел, лапилли и вулканические бомбы, которые могут накапливаться в виде подводных пирокластических потоков или отложений всплеска.

Кроме того, подводная вулканическая активность часто генерирует гидротермальные отверстия - трещины на морском дне, испускающие перегретые, богатые минералами жидкости. Хотя эти отверстия не извержения в традиционном смысле, они напрямую связаны с источниками вулканического тепла и способствуют минерализации морского дна и развитию экосистемы.

Типы подводных вулканов

Подводные вулканы демонстрируют различные морфологии и эруптивное поведение, под влиянием их тектонической обстановки, состава магмы и истории извержений.Геологи классифицируют эти вулканы на несколько основных типов, включая щитовые вулканы, стратовулканы, подводные горы, гиоты, подводные кальдеры и связанные с ними гидротермальные вентиляционные поля.

Щитовые вулканы

Щитовые вулканы обладают широкими, мягко наклонными профилями, образованными извержением низковязких базальтовых лав, которые легко текут и распространяются на больших площадях перед затвердеванием. Они распространены вдоль среднеокеанических хребтов и интраплейтных горячих точек, где мантийные плюмы обеспечивают устойчивое магматическое снабжение. Гавайско-императорская цепь подводных гор является классическим примером формирования щитовых вулканов под океаном, с огромными вулканами, такими как Лойхи Симаунт, представляющими ранние стадии строительства островов. Эти вулканы могут достигать высот в несколько тысяч метров над морским дном, но поддерживать относительно мягкие склоны обычно менее 10 градусов.

Стратовулканы (Composite Volcanoes)

Стратоволканы, или композитные вулканы, характеризуются более крутыми, более коническими профилями и состоят из чередующихся слоев лавовых потоков, вулканического пепла и других пирокластических отложений.Они часто образуются в условиях зоны субдукции, где магмы обогащаются кремнеземом и летучими веществами, что приводит к более вязким магме и взрывным извержениям.Подводные стратовулканы могут создавать обширные вулканические дуги, некоторые из которых прорываются в морскую поверхность, образуя вулканические острова, прежде чем спадать под воду. Примеры включают подводные сегменты Тихоокеанского огненного кольца, где взрывная активность и сложные вулканические структуры распространены.

Морские горы и гиоты

Морские горы — изолированные подводные горы, возвышающиеся более чем на 1000 метров над морским дном, но не достигающие поверхности океана. Эти особенности часто происходят от вулканизма горячей точки или активности срединно-океанического хребта. Морские горы обеспечивают важные места обитания для морской жизни и являются одними из самых многочисленных вулканических структур на морском дне, с десятками тысяч, распределенных по всему миру.

Гайоты, или столовые горы, представляют собой плоские вершины, образующиеся, когда вулканические острова разрушаются волновым действием на уровне моря или над ним и впоследствии спадают. Плоская вершина отличает гиотов от конических морских гор и указывает на их некогда возникающий статус. Их исследование дает представление о прошлых изменениях уровня моря и скорости тектонического оседания.

Подводные кальдеры

Подводные кальдеры образуются в результате обрушения вершины вулкана после эвакуации мелкой магматической камеры во время крупных извержений. Эти впадины могут охватывать несколько километров в диаметре и часто становятся местами интенсивной гидротермальной активности и осаждения минералов. Известные подводные кальдеры существуют вдоль Восстания в Восточной части Тихого океана и в других тектонически активных регионах, служа естественными лабораториями для изучения магматических процессов и гидротермальных систем морского дна.

Гидротермальные Vent Fields

Гидротермальные вентиляционные поля, хотя и не вулканы как таковые, тесно связаны с подводной вулканической активностью. Они возникают там, где морская вода проникает в проницаемые вулканические породы, нагревается подстилающей магмой и возвращается на морское дно, обогащенное растворенными минералами и восстановленными химическими веществами. Эти вентиляционные отверстия строят дымоходоподобные структуры сульфидных минералов и поддерживают уникальные хемосинтетические экосистемы, независимые от солнечного света. Открытие гидротермальных вентиляционных отверстий произвело революцию в нашем понимании биологической продуктивности и адаптивности жизни в экстремальных условиях.

Экологическое и геологическое значение

Подводные вулканы являются важнейшими драйверами геологических циклов Земли и оказывают глубокое воздействие на морскую химию и биологию. Их влияние простирается от создания новой океанической коры до поддержания специализированных экосистем и модуляции океанических химических потоков.

Крустальная формация и тектоника плит

Примерно 70% вулканической активности Земли происходит под океаном, преимущественно вдоль срединно-океанических хребтов, где расходятся тектонические плиты. Здесь непрерывные извержения вулканов производят новую базальтовую кору, стимулируя процесс распространения морского дна. Этот механизм имеет основополагающее значение для тектоники плит, переработки литосферного материала и формирования океанических бассейнов в течение геологического времени.

Подводные вулканы также способствуют образованию вулканических дуг и островных цепей в зонах субдукции или над зонами раскачки мантии. Гавайские острова, образованные вулканизмом горячей точки, иллюстрируют, как подводные щитовые вулканы могут в конечном итоге возникнуть в виде массивов суши. Динамичное взаимодействие этих вулканов с тектоническими процессами постоянно меняет дно океана и влияет на глобальную геологическую эволюцию.

Влияние на химию океана и тепловой поток

Вулканические выбросы от подводных извержений выделяют различные газы, включая углекислый газ (CO]2), диоксид серы (SO2) и сероводород (H2S), в окружающую морскую воду. Эти выбросы могут локально изменять химический состав воды, подкисляя окружающую среду или поставляя питательные вещества, которые стимулируют биологическую продуктивность. Гидротермальные источники выделяют богатые минералами жидкости, содержащие металлы, такие как железо, марганец и медь, которые играют значительную роль в цикле микроэлементов и биогеохимии океана.

Тепло, выделяемое в результате вулканической деятельности подводных лодок, способствует глобальному океаническому тепловому бюджету, влияя на циркуляцию глубоководных океанов и тепловые градиенты. Этот тепловой поток влияет на стратификацию колонн воды и может иметь более широкие последствия для регулирования климата в течение длительного времени.

Уникальные морские экосистемы, поддерживаемые подводными вулканами

Подводные вулканы способствуют развитию экстраординарных экосистем, особенно вокруг гидротермальных жерл и подводных гор, где жизнь процветает в отсутствие солнечного света. Химиосинтетические бактерии используют химическую энергию от неорганических соединений, таких как сероводород, для производства органического вещества, образуя основу пищевых сетей, независимых от фотосинтеза. Эти бактерии поддерживают различные сообщества, включая гигантских трубчатых червей (Riftia pachyptila), вентиляционные моллюски, креветки, рыбу и хрупкие звезды, адаптированные к экстремальным температурам и химическим условиям.

Такие экосистемы представляют глубокий научный интерес в качестве аналогов ранней жизни на Земле и потенциальных внеземных мест обитания, особенно на ледяных спутниках, таких как Европа и Энцелад, где подземные океаны могут содержать аналогичные условия.

Морские горы также функционируют как биологические горячие точки, привлекая пелагические виды, включая коммерчески важные рыбы, акулы и морских черепах. Они способствуют подъему течений, которые приносят питательные вещества из более глубоких вод на поверхность, повышая местную продуктивность и служа критическими путями для мигрирующих видов через обширные океанские бассейны.

Геоопасности и поколение цунами

Подводные вулканические извержения, хотя часто менее взрывоопасные, чем наземные аналоги, все еще могут представлять значительные геоопасности.Большие взрывные извержения, вулканические обрушения флангов или подводные оползни, связанные с вулканической активностью, могут вытеснить огромные объемы воды, создавая цунами, способные опустошить близлежащие прибрежные районы.

Печально известное извержение Кракатау в 1883 году, частично вызванное подводными вулканическими процессами, вызвало катастрофические цунами, которые привели к десяткам тысяч жертв.Мониторинг подводных вулканов имеет важное значение для систем раннего предупреждения и смягчения опасности, особенно в густонаселенных прибрежных районах, уязвимых к угрозам вулканического и цунами.

Изучение подводных вулканов: методы и технологии

Удаленная, глубокая и часто опасная среда подводных вулканов требует передовых технологических подходов для их исследования и изучения.Исследователи используют комбинацию дистанционного зондирования, прямого отбора проб и непрерывного мониторинга, чтобы разгадать их сложности.

Картирование морского дна и дистанционное зондирование

Многолучевые гидролокационные системы, установленные на исследовательских судах, создают карты морского дна с высоким разрешением, раскрывающие подробные вулканические формы, месторождения извержений и гидротермальные вентиляционные поля.Эти батиметрические данные имеют решающее значение для выявления активных вулканических зон и руководства исследовательскими миссиями.

Спутниковая альтиметрия дополняет картографирование на основе кораблей, обнаруживая тонкие аномалии высоты поверхности моря, вызванные гравитационными эффектами больших подводных гор, что позволяет идентифицировать подводные вулканы на обширных океанических просторах.

Акустические камеры и гидролокатор бокового сканирования обеспечивают подробные изображения мест извержения, облегчая изучение вулканической морфологии и распределения осадков.

Погружные и дистанционно управляемые транспортные средства (ROV)

Дистанционно управляемые транспортные средства (ROV) и занимаемые человеком подводные аппараты позволяют осуществлять прямое визуальное наблюдение и отбор проб субмарин вулканической среды. Эти транспортные средства собирают геологические образцы, данные о химии воды и биологические образцы из вентиляционных полей и потоков лавы.

Известные платформы включают в себя DSV Alvin, который исследовал гидротермальные вентиляционные отверстия на хребте Хуан-де-Фука, и Jason ROV, способный к точному маневрированию и сбору образцов. Такие миссии предоставляют бесценные данные о динамике извержения, магматических процессах и структуре экосистемы in situ.

Обсерватории на морском дне и мониторинг в режиме реального времени

Постоянные обсерватории на морском дне, такие как те, которые развернуты Инициативой океанских обсерваторий (OOI), используют массив датчиков для постоянного мониторинга параметров, включая температуру, давление, сейсмику и химию жидкости на подводных вулканических объектах. Передача данных в режиме реального времени позволяет ученым обнаруживать вулканические волнения, контролировать гидротермальную активность и понимать триггеры извержения.

Эти обсерватории вносят значительный вклад в оценку опасности и способствуют фундаментальному научному пониманию подводных вулканических процессов.

Научная значимость и более широкие последствия

Исследования подводных вулканов улучшают понимание динамики мантии, формирования коры и тектоники плит. Он также информирует климатологов посредством исследований выбросов углекислого газа в вулканических породах и их влияния на подкисление океана и глобальный углеродный цикл.

Кроме того, исследование экстремофильных организмов, населяющих гидротермальные вентиляционные отверстия, дает представление о адаптируемости жизни, направляя астробиологические исследования и вдохновляя биотехнологические приложения, такие как новые ферменты и биологически активные соединения.

Для получения дополнительной информации читатели могут ознакомиться с ресурсами, предоставленными Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Глобальной программой вулканизма Смитсоновского института .

Известные подводные вулканы по всему миру

Несколько подводных вулканов были тщательно изучены, каждый из которых предлагает уникальное понимание вулканических процессов и связанных с ними экосистем.

Лоихи Сифор

Лоихи Симаун, расположенный примерно в 35 километрах к юго-востоку от Большого острова Гавайи, является активным подводным щитовым вулканом, поднимающимся примерно на 3000 метров от морского дна. В настоящее время спящий, но вулканически активный, он, как ожидается, появится в качестве нового гавайского острова в течение десятков тысяч лет. Лойхи имеет вершинную кальдеру и многочисленные гидротермальные вентиляционные поля, что делает его естественной лабораторией для исследования ранних стадий развития щитового вулкана и подводной гидротермальной активности.

Осевая гора

Расположенная на хребте Хуан-де-Фука у берегов Орегона и Вашингтона, Аксиальная гора является одним из наиболее активно контролируемых подводных вулканов. Оснащенная сетью мониторинга в реальном времени, она извергалась в 1998, 2011 и 2015 годах, предоставляя ценные данные о циклах извержений, динамике магматических камер и деформации морского дна. Её доступность и частая активность делают её центром изучения подводных вулканических процессов.

Кик-эм-Дженни

Расположенный недалеко от Гренады в Карибском море, Кик-эм-Дженни является единственным действующим подводным вулканом региона. С момента его открытия он извергался по крайней мере дюжину раз с 1939 года, часто взрывоопасно. Его деятельность создает риски цунами для близлежащих прибрежных популяций, что вызывает постоянный мониторинг со стороны Центра сейсмических исследований Университета Вест-Индии. Кик-эм-Дженни иллюстрирует опасности, которые подводные вулканы могут представлять в населенных районах.

Другие субмаринные вулканы

Дополнительные известные подводные вулканы включают те, которые находятся вдоль хребта Гаккеля в Северном Ледовитом океане и комплекса хребта Маккуори в Южном океане.Эти вулканы действуют в экстремальных полярных средах и способствуют пониманию вулканической активности на медленно распространяющихся хребтах и сложных границах плит.

Для получения полного списка и подробной информации, обратитесь к программе по изучению вулканических опасностей Геологической службы США .

Заключение

Подводные вулканы являются основополагающими компонентами океанической коры Земли и играют жизненно важную роль в формировании геологии, химии и биологии планеты. От их роли в создании нового морского дна на срединно-океанических хребтах до содействия уникальным экосистемам, зависящим от хемосинтеза, эти скрытые подводные горы являются ключом к пониманию динамических процессов Земли. Продолжение исследований, подкрепленных передовыми технологиями и глобальным научным сотрудничеством, обещает раскрыть дальнейшие тайны, окружающие подводный вулканизм и его глубокое влияние на систему Земли.

Помимо развития геологических и биологических наук, изучение подводных вулканов имеет практическое значение для смягчения опасности, разведки ресурсов и понимания изменений окружающей среды. По мере углубления нашего исследования океанов эти подводные гиганты будут продолжать раскрывать свои секреты, обогащая знания человечества о внутренней работе нашей планеты и жизнестойкости.