Реферат: Некоторые особенности формирования подводных каньонов на континентальном склоне Восточной Камчатки

Ю.О. Егоров

Рассмотрены особенности морфологии дна и строения осадочного разреза на шельфе и континентальном склоне Камчатского и Авачинского заливов (Восточная Камчатка) в связи с процессами подводного оползнеобразования, а также в контексте их возможной связи с генерацией волн цунами. В основу статьи положены оригинальные результаты геолого-геофизического изучения акваторий, полученные в 38, 39 и 41 рейсах НИС "Вулканолог" (1990-1991 гг.). Основное внимание уделено строению верховий каньонов, характеру миграции осадочного материала на шельфе и континентальном склоне, а также изучению ряда геологических особенностей разреза осадочной толщи в бортах подводных каньонов, которые, как предполагается, благоприятствуют возникновению и протеканию оползневых процессов.

Введение

Одна из наиболее характерных особенностей морфологии дна на континентальном склоне и шельфе северо-западной части Тихого океана - широкое развитие подводных каньонов, являющихся путями транспортировки терригенного материала [14,22,25 и др.]. Значительная часть транзитного осадочного материала, ежегодные объемы выноса которого измеряются тысячами км³ [26], накапливаясь на континентальном склоне, находится в состоянии неустойчивого динамического равновесия. Такая ситуация в совокупности с развитием интенсивных эрозионных явлений и высокой сейсмичностью региона приводит к повсеместному проявлению литодинамических процессов, главным образом в виде подводного оползнеобразования.

Районы и методы исследований

Рис. 1

В качестве объектов исследования современных обвально-оползневых процессов было выбрано северо-западное ответвление Камчатского каньона в северной части Камчатского залива и его обрамление, а также северная часть Авачинского залива (врезка на рис.1). Выбор районов проведения исследований определялся двумя основными причинами. Во-первых, несмотря на сравнительно хорошую изученность акваторий Камчатского и Авачинского заливов [8,10,13,22], в процессе морских геолого-геофизических работ с борта НИС "Вулканолог" в северо-западной части Камчатского и в северной части Авачинского заливов впервые были выявлены участки морского дна, характеризующиеся специфическими особенностями строения осадочного чехла [17,34]. При интерпретации полученных данных на здесь было установлено широкое распространение подводных обвально-оползневых процессов. Во-вторых, побережье Камчатского и Авачинского заливов и соседних с ними акваторий является одним из цунамиопасных районов северо-западного обрамления Тихого океана; в историческое время цунами отмечались здесь неоднократно [4,7,23,24]. В то же время, есть все основания полагать, что некоторые из этих событий не связаны с цунамигенными землетрясениями, и могут иметь иной генерирующий источник [16].

В процессе набортных дистанционных исследований проводились непрерывное эхолотирование, сейсмопрофилирование и гидромагнитная съемка по ортогональной линейной сетке с расстоянием между профилями около 1 морской мили со сгущением профилей до 0,3-0,5 мили на участках детализации. Эхолотирование велось двумя приборами: Kajodenki WD-110M с центральной частотой 12,5 кГц и JCR JVF-820C с частотами 28 и 200 кГц. При сейсмопрофилировании применялся одноканальный искровой разрядник с периодом излучения от 4 до 1 с и центральной сейсмической частотой 75 или 150 Гц. Регистрация полученного отраженного сигнала производилась в аналоговой форме.

Набортные геологические работы включали отбор донных образцов драгами, дночерпателями и грунтовыми трубками. В лабораторных условиях проводились разнообразные исследования поднятых образцов, включавшие микрофаунистический (диатомовый), минералогический, химический и изотопный анализы. Предварительные сообщения, включающие отдельные полученные результаты, были опубликованы ранее [17,27,34].

Морфология дна северной части Камчатского залива.

Северную часть Камчатского залива (рис.1) составляют сравнительно мелководные континентальные отмели, обращенные внутрь залива и прослеживающиеся с плавными перегибами до глубины 420 м. В пологих прогибах этого склона располагаются подводные каньоны, крупнейшим из которых является субмеридионально ориентированный Камчатский каньон. Долина каньона имеет несколько коленообразных изгибов, подчеркивающих его приуроченность к зоне пересечения разрывов субширотного и субмеридионального простирания. Дно каньона представляет собой сложное сочетание эрозионных и аккумулятивных форм, разделенных своеобразными "водоразделами". Основное русло каньона характеризуется V-образной формой с выраженной асимметрией склонов [10,21].

Морфология дна в районе участка детализации работ в верховьях каньона (Западной долины по [10]) существенно отличается от соседних с ним притоков и ответвлений. Если практически все притоки северной части каньона имеют V-образную форму, а их русло часто меняет направление, то изученный участок представляет собой вытянутую корытообразную (U-образную) долину длиной 15 км и шириной 2-4 км. Борта долины осл

Рис. 2

ожнены сериями уступов и оползневых ступеней, а высота склонов колеблется от 200 до 350 м при крутизне до 30њ (рис.2). Относительно плоское дно каньона имеет наклон около 3^o в юго-восточном направлении, что соответствует падению поверхностей напластования слоев осадочного чехла.

Сравнительно крутые склоны каньона, высокая сейсмичность региона, а также широкое развитие геологических процессов, способствующих нарушению сплошности осадочного разреза, являются предпосылками интенсивного оползнеобразования. О высокой степени проработки бортов и дна изученного участка каньона оползневыми процессами однозначно свидетельствуют морфологические признаки. В результате схода многочисленных оползней верховья каньона в плане имеют округлые очертания и напоминают оползневой цирк. Оползневые тела различного размера прослеживаются на сейсмограммах как на стенках (висячие оползни), так и на дне каньона, перегораживая его (рис.2). Наличие разномасштабных оползневых тел, перегораживающих дно подводных каньонов, является характерной особенностью шельфа и континентального склона Восточной Камчатки [10,15,22]. При этом объем оползневых тел может достигать нескольких кубических километров и десятков кубических километров. Так, например, южная часть Камчатского каньона отделена от основного русла крупным оползшим массивом осадков объемом более 5 км³ , образовавшим своеобразную дамбу [10]. С активным характером обвально-оползневых процессов на стенках каньона в исследуемом районе, по-видимому, связан повышенный микросейсмический фон на частотах 0,15 - 0,40 Гц, фиксируемый наземными сейсмостанциями [13-15].

Строение и состав осадочной толщи северной части Камчатского залива

Северная часть шельфа Камчатского залива является зоной аккумуляции осадочного материала, выносимого р. Камчатка - самой крупной рекой полуострова. Твердый сток р.Камчатка, составляющий в настоящий момент около 2,4 тыс. т в год [10], в большой степени определяется переносом твердых продуктов эруптивной деятельности вулканов Ключевской группы. Кроме того, река переносит значительное количество органического материала, крупномасштабное захоронение которого происходит в рыхлых отложениях шельфа [З].

Рис. 3

Видимая в сейсмическом изображении мощность осадочного чехла на изученном участке сравнительно невелика - 100-150 м, и только на отдельных участках разрез читается до глубины 200-250 м. Осадочная толща хорошо стратифицирована. По данным геологического опробования и анализа сейсмограмм разрез осадков, слагающих борта каньона, представлены переслаиванием песчаного, гравийного и илистого материала, имеющего различные плотностные характеристики. Характерной особенностью этого разреза является наличие выдержанной по площади высокоамплитудной отражающей границы в нижней части разреза (рис.2), которая, по-видимому, соответствует переслаиванию уплотненных тонкослоистых осадков. Это предположение подтверждается материалами драгирования и отбора проб дночерпателем. С интервала глубин 185-250 м, где упомянутая граница выходит на поверхность морского дна, были подняты темно-серые, местами почти черные гумусированные глины полутвердой консистенции, которые переслаиваются с плотными серыми глинами и суглинками с большим количеством вкраплений органики различной величины. Фаунистические определения [17] позволяют отнести эти образования к позднему плейстоцену-голоцену.

Рис. 4

Вверх по разрезу выше упомянутого горизонта залегает слоистая разнокомпетентная толща, представленная (по данным опробования дночерпателями) глинистыми илами с текучей консистенцией и максимальной влажностью, переслаивающихся, в свою очередь, с пачками более плотных суглинков. Осадки, обрамляющие каньон, нарушены сбросообразующими разломами и трещинами отрыва, часть из которых перекрыты слоем верхнечетвертичных отложений небольшой мощности (рис.3). К трещинам отрыва приурочены газовые выходы различной интенсивности, которые уверенно фиксируются на эхолотных записях (рис.4.). Различие в гранулометрическом и вещественном составе между отдельными компонентами осадочного разреза объясняется тем, что характер материала, выносимого р.Камчатка, значительно менялся на протяжении геологического времени главным образом в зависимости от климатических условий. В период верхнеплейстоценового похолодания в пределах современного шельфа Камчатского залива были сформированы торфяники различной мощности и протяженности [6], которые при повышении уровня моря были погребены под верхнеплейстоцен-голоценовыми дельтовыми отложениями р.Камчатка.

Рельеф дна северной части Авачинского залива

В целом шельф северной части Авачинского залива (рис.5) имеет плоскую, слабонаклонную поверхность, которую можно разделить на три интервала. В интервале глубин 50-100 м уклон дна составляет около 0,3^o в юго-восточном направлении. Поверхность дна в этом интервале глубин нарушена в верховьях Авачинского каньона (вблизи Халактырского пляжа), где влияние эрозионных процессов заметно начиная с глубин около 60-70 м, а также к югу от Шипунского полуострова. Здесь отмечены деформации поверхности шельфа, которые, вероятно, приурочены к зонам тектонических, в том числе и разрывных нарушений северо-западного и субмеридионального простираний. В интервале глубин 100-150 м уклон дна возрастает до (0,4⁰ -0,5⁰ ), в восточной части района отчетливо различимы эрозионные и, возможно, тектонические долины, трассирующие разломы северо-западного и субмеридионального простираний. Начиная с глубин 150-200 м (а для верховий Авачинского каньона - со 100 м) уклон дна резко возрастает до первых, иногда до нескольких градусов. Этот перегиб в рельефе дна соответствует внешней бровке шельфа. Для западной части района положение внешней бровки шельфа контролируется процессами подводной эрозии, выраженными разветвленной сетью эрозионных долин в верховьях Авачинского каньона. Для восточных участков внешняя бровка шельфа сформирована процессами бокового наращивания в период низкого стояния уровня океана.

Краткая характеристика строения осадочного чехла на шельфе Авачинского залива

Дно северной части Авачинского залива сложено неконсолидированными отложениями, мощность которых на большей части площади не установлена из-за интенсивных реверберационных помех или ограниченной глубинности метода.

Структура неконсолидированных отложений на шельфе северной части Авачинского залива свидетельствует о том, что их формирование было обусловлено интенсивным сносом обломочного материала с побережья, обрамляющего Авачинский залив, в том числе и с Шипунского полуострова. Важную роль в формировании осадочных комплексов Авачинского залива играет твердый сток рек и ручьев. Наибольший вклад вносит твердый сток р.Налычева и рек, впадающих в залив в районе Халактырского пляжа. Отсюда шло наращивание дельтовых отложений в виде сигмовидных осадочных тел по схеме бокового наращивания.

В структуре осадочной толщи отчетливо прослеживается зоны повышенной газонасыщенности, расположенные над акустическим фундаментом (рис.6 А, Б), к которым, в свою очередь, тяготеют участки с неустойчивыми блоками осадков и молодые эрозионные врезы (рис.7 В,Г). Повышенная газонасыщенность осадков установлена по наличию на сейсмической записи характерных аномалий, в основном амплитудных ("яркие пятна") (см. рис.6). Зоны повышенной газонасыщенности тяготеют к типичным газовым ловушкам трех типов: выклиниванию пластов, участкам с антиклинальным залеганием слоистой толщи и зонам сбросов или взбросов, которые "запечатывают" пласты-коллекторы.

Рис. 7

Как видно на рис.7 В, эрозионные формы на дне Авачинского залива неоднократно подвергались заполнению осадочным материалом, затем возникали новые эрозионные врезы. На исследованном участке можно выделить три типа эрозионных форм: V-образные, U-образные и зоны пластовых оползаний. V-образные врезы, как правило, относятся к молодым притокам каньона, которые прорезают осадочные комплексы на сравнительно небольшую глубину. U-образные формы формируются в результате роста V-образных эрозионных врезов до глубины залегания акустического фундамента, и затем расширения долины вдоль поверхности литифицированных осадков либо кристаллического фундамента. Пластовые оползания развиваются по флюидонасыщенным пластам осадочной толщи в бортах каньона.

Данные гидромагнитной съемки свидетельствуют о том, что в пределах участка исследований наблюдается положительная аномальная зона С-З направления. Аномалия не контрастна и, возможно, имеет продолжение на суше. Наибольшие значения, до 2,5 мЭ, зафиксированы в местах выхода на поверхность морского дна акустического фундамента вблизи мыса Шипунский. К югу от мыса значения магнитного поля плавно уменьшаются и при глубинах моря 500-800 м имеют значения 0,5-0,7 мЭ. В местах, где мощность осадков увеличивается, значения магнитного поля плавно уменьшаются, однако остаются положительными. Региональные тектонические нарушения (разломы) С-З и субширотного направлений в магнитном поле выражены четко, оперяющие разломы в магнитном поле практически не фиксируются.

Факторы, влияющие на гравитационную устойчивость склоновых осадков в исследуемых районах

В процессе проведенных работ внимание привлекли те особенности структуры осадочного чехла района исследований, которые можно интерпретировать как факторы, способствующие формированию и перемещению подводных оползней. Исследование включало оценку гравитационной устойчивости подводных склонов, основанную на данных о составе, строении и физико-механических свойствах склоновых осадков, а также анализ геологических явлений, приводящих к нарушению сплошности осадочного чехла и формированию оползневых тел конечного объема. Особое внимание привлекли некоторые геологические факторы, благоприятствующие созданию условий для динамического перемещения крупных объемов неконсолидированных осадков вдоль склонов каньонов. В исследуемых районах к таким специфическим факторам относятся газонасыщенность осадков и разгрузка грунтовых вод на шельфе. На наш взгляд, именно эти явления во многом определяют повышенную (по сравнению с прилегающими акваториями) интенсивность обвально-оползневых процессов в Авачинском и Камчатском заливах.

Газонасыщенность осадков. Отличительной особенностью геологического строения дна Камчатского залива является широкое развитие подводных газовых просачивании различной интенсивности [17,34]. Наиболее распространены они в северной части залива, где участки газонасыщенных осадков оконтуривают верховья детально исследованного притока и далее тянутся в южном направлении (по простиранию шельфа), а также маркируют упомянутый выше горизонт уплотненных осадков, который был вскрыт эрозией на глубине 160-180 м. Признаки просачивании в виде вертикальных гидроакустиеских аномалий фиксировались по ходу судна самописцем эхолота (см. рис.4) [17,]. На газонасыщенность вмещающих осадков указывает падение скоростей прохождения сейсмических волн, наличие акустически немых толщ и ярких пятен на записях одноканального сейсмического профилирования.

Изотопный анализ углерода и кислорода карбонатных корок из фрагментов конических построек, к которым приурочены просачивания, дал величины 13C = -24,7...-62,0%o (PDB) и 18O = 33,0-34,4%o (SMOW), что, согласно существующим представлениям, указывает на происхождение в результате бактериального окисления биогенного метана [11,28]. Газы, которые представлены преимущественно изотопно-легким ("биогенным") метаном, вероятно, поступающим из верхней части осадочного чехла [20], обязаны своим появлением захороненной органике. Погребенный органический материал генерирует огромное количество метана, который, накапливаясь между плотными глинистыми слоями, стал причиной повышенной газонасыщенности пластов. В то же время, следует отметить, что в пробах свободного газа, отобранного в зоне просачивании, помимо "биогенного" метана (13C, около 70%_о PDB), отмечаются также и тяжелые углеводороды (С₂ Н₆ и выше), которые, вероятно, имеют ювенильную природу, поступая с больших глубин по разломам. Близкий компонентный состав имеют газы из скважин, пробуренных на побережье сравнительно недалеко от района исследований [З], что свидетельствует о значительных масштабах генерации углеводородов в регионе.

Разгрузка грунтовых вод на шельфе. Это явление (иногда его называют "родниковым подмывом" [33]) связано с вымыванием осадочного материала на склонах подводных каньонов под действием напорных грунтовых вод [25,33]. Обычно этот процесс развивается вблизи побережий, в пределах которых большие объемы воды фильтруются через приповерхностные слои осадочного разреза и по горизонтам, обладающим свойствами коллекторов, мигрируют на большие расстояния. При этом интенсивность вымывания тонкой фракции материала из слоев зависит от объемов воды, поступающей с поверхности. В исследуемом районе дезинтеграции слоев осадочного разреза под действием напорных вод связана с особенностями гидрогеологической обстановки, когда слои осадочной толщи залегают с наклоном в сторону моря, а на побережье создаются условия для формирования напорных горизонтов пресных вод. Обширные выровненные поверхности нижнего течения реки Камчатка являются прекрасным бассейном аккумуляции метеорных вод, которые фильтруются через рыхлые вулканогенно-осадочные толщи. Глинистые водоупорные слои, расположенные в нижней и средней частях осадочной толщи, залегают с наклоном в сторону моря. В мористой части осадочная толща рассечена эрозионными врезами Камчатского каньона. В тех местах, где процессы глубинной эрозии вскрыли коллекторные и водоупорные горизонты, с различной интенсивностью проявились разрушения горизонтов осадочного разреза под влиянием разгружающихся грунтовых вод, в результате чего в бортах каньонов сформировались многочисленные кары и ступени (небольшие по размеру), а в верховьях, на дне вблизи крутых стенок, образуются замкнутые депрессии. Совокупный эффект разгрузки грунтовых вод и каньонообразующих эрозионных процессов приводит к разрушению коллекторных горизонтов осадочной толщи. В Камчатском каньоне вышеупомянутые особенности наиболее широко отражены в строении склонов и дна западных притоков и ответвлений. В Авачинском заливе рассмотренные процессы не столь контрастны, однако, характерные аномальные зоны и типичное строение осадочной толщи указывают на сходство эрозионных режимов.

Механизм роста каньонов и формирования подводных оползней

Представляется очевидным, что в пределах авандельты р.Камчатка на шельфе Камчатского залива и в северной части Авачинского залива значительные объемы осадочного материала верхней части разреза находятся в состоянии неустойчивого динамического равновесия, которое постоянно нарушается в результате региональной сейсмической активности и геологических явлений, способствующих дестабилизации осадочных тел. Не останавливаясь в данной работе на вопросах классификации и номенклатуры подводных оползней, подробно рассмотренных в ряде работ [14,18,30], отметим, что в исследуемом районе в подавляющем большинстве случае встречается оползание слабо- и неконсолидированных осадков с поверхностью скольжения, субпараллельной склону (трансляционные оползни или slump). По-видимому, можно говорить о том, что в ряде случаев разжижение и насыщение флюидами неконсолидированных оползающих осадков привели также к формированию турбидитных потоков и подводных лавин.

Геологическую ситуацию, благоприятную для развития оползневых явлений на склоне Камчатского каньона можно проиллюстрировать на примере фрагментов сейсмограмм (см. рис.3). В строении склонов, обрамляющих каньон, обращают на себя внимание две характерные особенности. Первая - в сейсмическом изображении уверенно читаются тектонические нарушения, которые совершенно не выражены в рельефе морского дна. Вторая - наличие нескольких восстающих выклинивающихся пластов, перекрытых слоем осадков переменной мощности. К участкам выклинивания пластов и к зонам тектонических нарушений приурочены цепочки газовых просачиваний различной интенсивности, которые уверенно фиксируются на записях эхолота в виде гидроакустических аномалий. Анализ сейсмограмм свидетельствует о том, что цепочки газовых выходов маркируют зоны формирований стенок отрыва оползневых тел. Именно на указанных участках морского дна через неконсолидированные песчано-глинистые осадки проникает метан, формируя на поверхности небольшие постройки конической формы [34].

Рис. 8

Кинематику процесса формирования и перемещения оползней в каньонах Камчатского залива моделирует блок-схема на рис.8. В строении осадочной толщи исследуемого района отчетливо проявлен генерализованный трехслойный разрез разнокомпетентных осадков (рис.8а). Верхний слой - это пачка переслаивания неконсолидированных осадков, которая формируется в режиме лавинного осадконакопления и динамически наименее стабильна [21]. Средний слой представлен горизонтами, сложенными плотными глинами (высокоамплитудная граница на сейсмограммах). Нижний слой слагает песчано-глинистая толща с высокой газонасыщенностью, которая на отдельных участках на склонах каньонов подвергается воздействию разгружающихся грунтовых вод и, следовательно, подвержена разрушению.

Голоценовые экзогенные процессы (в том числе гравитационно-оползневые) в исследуемом районе протекают на фоне общей деструкции осадочной толщи тектоническими процессами, проявившимися в развитии субмеридионально ориентированных структур растяжения. При тектонических подвижках в толщах неконсолидированных осадков верхнего слоя образуются трещины отрыва, по которым в дальнейшем развиваются листрические сбросы (рис.8б,8в), ограничивающие блоки осадочного материала различной формы и объема. Блоки постепенно проседают и, в зависимости от гравитационной устойчивости склонов, могут приходить в движение даже при небольшом внешнем воздействии (рис.8г). Такими факторами внешнего воздействия, служащими спусковым механизмом ("триггером") для инициации перемещения оползневых тел, могут стать: землетрясения и вызванная ими тиксотропия, глубинная эрозия в каньонах, перегрузка склонов при высокой скорости осадконакопления, прогрессирующий крип и т.д. [14,18,30]. Особо следует сказать о геологических "триггерах", столь ярко проявленных в районе исследования: переслаивании в разрезе компетентных и некомпетентных пород, их наклон по падению склона, флюидонасыщенность осадков, разгрузка грунтовых вод на склоне ("родниковый подмыв").

Рис. 9

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--