Некоторые особенности формирования подводных каньонов на континентальном склоне Восточной Камчатки

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

Поверхностью скольжения оползающих блоков является подошва слоя плотных глин, под которым залегает своеобразная "смазка" - слоя ожиженных газонасыщенных осадков. На скорость вдольсклонового перемещения оползневых тел будут оказывать влияние различные факторы, среди которых главный - угол наклона второго "бронирующего" слоя. Кроме того, большую роль будет играть местоположение оползающих масс относительно бортов и дна каньона. В частности, Ломтевым [13-15] описаны "висячие" оползневые блоки объемом в десятки куб. км и протяженностью по фронту 10-20 км, поверхность скольжения которых при угле наклона >10o-30o выходит на склонах каньона на высоте 100-150 м над дном. Фрагмент аналогичного оползневого тела (правда, меньшего объема) отчетливо виден на сейсмограмме, на рис.2.

Кроме того, механизм формирование эрозионных врезов в зонах разгрузки грунтовых вод иллюстрирует рис.9.

Дискуссия

Специальный интерес представляет возможная связь оползневых процессов на склонах подводных каньонов (и, в частности, в Камчатском заливе) с формированием волн цунами. В научной литературе имеется большое количество упоминаний о цунами, генерирующим источником которых предполагаются подводные гравитационно-оползневые процессы (например, [1,2,9,12,16,29,32 и др.]). По некоторым оценкам волны "гравитационного" генезиса составляют до 10-15% от общего количества цунами [5]. Принципиальная возможность возникновения цунами вследствие подводных оползневых процессов и вызванных ими мутьевых и турбидитных потоков рассмотрена на примере нескольих математических моделей [1,2,5] и показана в модельном эксперименте [19,35]. В то же время, несмотря на интерес, проявляемый к цунами, проблема генерации волн "нетрадиционными" источниками относится к малоизученным, и ее рассмотрение на примере детально исследованных участков морского дна способно внести ясность в решение спорных вопросов.

Не останавливаясь здесь на рассмотрении известных моделей возбуждения и распространения волн, отметим, что эти вопросы являются ключевыми для разделения гигантских волн на "удаленные или собственно цунами-волны", спровоцированные крупными землетрясениями и имеющие региональное распространение, и "бухтовые заплески или локальные цунами", среди причин возникновения которых - рассматриваемые в данной статье обвально-гравитационные процессы в подводных каньонах на малых глубинах. Несмотря на локальный и, как правило, узконаправленный характер распространения волн второго типа, их последствия могут иметь катастрофические масштабы [12,31].

При допущении того факта, что подводные оползневые процессы являются генерирующим источником локальных волн цунами, возникает ряд принципиальных вопросов, связанных с характером оползания осадочного материала и, в первую очередь, со скоростью перемещения оползневых тел на стенках и бортах подводных каньонов и причинами, снижающими трение в подошве оползня. Попытка определения граничных значений скорости вдоль склонового перемещения оползней фиксированного объема, необходимых для возбуждения поверхностных волн, является чрезвычайно сложной задачей с большим количеством участвующих факторов. Тем не менее, упрощенные расчеты для систем с ограниченным количеством переменных [1,2] показывают принципиальную возможность генерации цунами при движении оползневых и обвальных масс со скоростями, реализуемыми в реальной среде. Что касается геологических причин, благоприятствующих протеканию цунамигенерирующих литодинамических процессов в исследуемом районе, они подробно изложены выше. Суммируя, можно предполагать, что в осадочном чехле Камчатского залива главной причиной, приводящей к снижению трения в подошве склоновых оползней, является высокая газонасыщенность подстилающих осадков.

Возникшие в результате обвала даже сравнительно небольшие по амплитуде волны цунами при движении по мелководью шельфа могут достигать значительной высоты [32]. Кроме того, нельзя исключить фокусирующего эффекта для волны цунами в верховьях каньонов, которые расположены на мелководье в шельфовой зоне.

Учитывая тот факт, что прилегающие к изученной части залива участки побережья (на которых, в частности, расположен пос.Усть-Камчатск) представляют собой низменность, осложненную небольшими холмами, можно предполагать значительный заплеск возникших волн цунами. Возможный волногенерирующий эффект подводных сейсмооползневых процессов в Камчатском заливе и количественные оценки их цунамиопасности для прибрежных районов рассматриваются автором в другой работе.

Выводы

1. Для северной части Камчатского залива характерна высокая скорость осадконакопления и своеобразный тип осадков, которые обусловлены климатическими и вулканическими факторами и выносом материала самой крупной рекой полуострова Камчатка.

2. В этом районе широкое развитие получила подводная эрозия с формированием подводных каньонов, предпосылками которой явились: высокая скорость осадконакопления, современные тектонические движения и особенности состава и строения осадочной толщи.

3. Установлено, что значительные объемы осадков динамически неустойчивы и могут приходить в движение даже при незначительных сейсмических событиях. Дополнительными факторами, благоприятствующими развитию подводного оползнеобразования в исследуемом районе, стали высокая газонасыщенность осадков и разгрузка напорных грунтовых вод ("родниковый подмыв").

4. Нельзя исключить возможность того, что подводные оползни в бортах каньонов на малых глубинах при большом объеме оползневых тел и высоких скоростях их перемещения могут быть причиной генерации локальных волн цунами.

Список литературы

1. Гардер О.И., Долина И.С., Пелиновский Е.Н. и др. Генерация волн цунами гравитационными литодинамическими процессами // Исследования цунами. 1993. N 5. С.50-60.

2. Гардер О.И., Поплавский Л.Л. Могут ли оползни быть причиной цунами? // Исследование цунами. 1993. N 5. С.38-49.

3. Геологическое строение и перспективы нефтегазоносности Камчатки. М.: ГНТИ НГТЛ, 1961. 343 с.

4. Го Ч.Н., Иванов В.В., Кайстренко В.М. и др. Проявления цунами в районе Усть-Камчатска и прогноз цунамиопасности // Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе. Т.1. Владивосток, 1990. С.142-178.

5. Егоров Ю.А. Гидродинамическая модель генерации волн цунами извержением подводного вулкана // Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе. Владивосток, 1990. Т.1. С.82-93.

6. Егорова И.А. Палеогеография района Карагинского залива в позднем плейстоцене - голоцене // Вопросы географии Камчатки. Петропавловск-Камчатский, 1990. Вып.10. С.135-140.

7. Заякин Ю.А. Возникновение и распространение цунами в Западной части Берингова моря // Метеорология и гидрология. 1988. N 2. С.66-80.

8. Ильин В.А. Рельеф дна Камчатского залива // Тр. Ин-та океанологии АН СССР. Т.50. М.: Наука, 1961. С.21-28.

9. Колясников Ю.А. О природе цунамигенных землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1994. N 1. С.85-87.

10. Корнев О.С., Сваричевская Л.В., Хачапуридзе Я.Ф. Строение Камчатского подводного каньона и его сравнение с подобными системами других районов // Рельеф и структура осадочного чехла акваториальной части Дальнего Востока. Владивосток, 1981. С.53-63.

11. Леин А.Ю., Тальченко В.Ф., Подкровский Б.Г. и др. Морские карбонатные конкреции как результат микробиологического окисления газогидротермального метана в Охотском море // Геохимия. 1989. N 10. С.1396-1406.

12. Леонидова Н.Л. О возможности возбуждения волн цунами мутьевыми потоками // Волны цунами. Южно-Сахалинск: Тр. СахКНИИ АН СССР. 1972. Вып.29. С.262-270.

13. Ломтев В. Л. О некоторых формах рельефа Тихоокеанской континентальной окраины Камчатки // Рельеф и структура осадочного чехла акваториальной части Дальнего Востока. Владивосток, 1981.С.64-69.

14. Ломтев В.Л. Оползни на подводных континентальных окраинах в эпоху Пасаденской орогении // Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе. Т.2. Владивосток, 1990. С.348-363.

15. Ломтев ВЛ., Корнев О.С., Сваричевская Л.В. Геолого-геоморфологическая предпосылка оползней в сейсмоактивных районах континентальных окраин Тихоокеанского подвижного пояса (в связи с возможной опасностью образования волн цунами) // Отчет Б 932521. М.: ВНИТЦ, 1980. 153 с.

16. Мелекесцев И.В. О возможной причине Озерновского цунами 23.XI.1969 г. на Камчатке // Вулканология и сейсмология. 1995. N 3. С.105-108.

17. Надежный AM., Селиверстов Н.И., Горохов П.В. и др. Просачивания в Камчатском заливе // Докл. РАН. 1993. Т.328. N 1. С.78-80.

18. Оползни. Исследование и укрепление. М.: Мир, 1981. 368с.

19. Поборная Л.В. Лабораторные исследования скоростного и плотностного суспензионного потока // Вестник МГУ. География. 1967. N 2. С.23-28.

20. Прасолов Э.М. Изотопная геохимия и происхождение газов. Л.: Недра, 1990. 282 с.

21. Селиверстов Н.И. Сейсмоакустические исследования переходных зон. М.: Наука, 1987. 112 с.

22. Селиверстов Н.И., Надежный А.М., Бондаренко В.И. Особенности строения дна заливов Восточной Камчатки по результатам геофизических исследований // Вулканология и сейсмология. 1980. N 1.С.38-50.

23. Соловьев С.Л. Основные данные о цунами на Тихоокеанском побережье СССР, 1737-1976 гг. // Изучение цунами в открытом океане. М.: Наука, 1978. С.61-136.

24. Соловьев С. Л., Го Ч.Н. Каталог цунами на западном побережье Тихого океана. М.: Наука, 1974. 309с.

25. Шепард Ф., Дилл Р. Подводные морские каньоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 343 с.

26. Carlson P.R., Karl НА. Development of large submarine canyons in the Bering Sea, indicated by morphologic, seismic, and sedimentologic characteristics // Geol. Surv. Am. Bull. 1988. V.100. P.1594-1615.

27. Egorov Yu.0., Osipenko A.B. The dynamics of the canyon-forming processes on the continental slope of the Eastern Kamchatka in connection with generation of tsunami waves // Evolution and Dynamics of the Asian Seas. Proc. 3rd Int. Conf. on Asian Marine Geology. Cheju. Korea. 1996. P.247.

28. Hovland M., Judd A.G. Seabed pockmarks and seepages. London; Dordrecht; Boston: 1988. 293 p.

29. Mader Ch.L. A landslide model for the 1975 Hawaii Tsunami // Sci. Tsunami Hazards. 1984. V.2. N 2. Р.71-78.

30. Marine slides and other mass movements. N. Y.: Plenum Press, 1982. 301 p.

31. Moore G.W., Moore J.G. Large-scale bedforms in boulder gravel produced by giant waves in Hawaii // Geol. Soc. Am. Spec. Paper. 1988. V.229. Р.101-109.

32. Murty T.S. Submarine slide-generated water waves in Kitimat Inlet, British Columbia // J. Geophys. Res. 1979. V.84. N 12. Р.7777-7779.

33. Paull Ch.K., Spiess F.N., Curray J.R., Twichell D.C. Origin of Florida Canyon and the role of spring sapping on the formation of submarine box canyons // Geol. Surv. Am. Bull. 1990. V.102. P.502-515.

34. Seliverstov N.I., Torokhov P.V., Egorov Yu.0. et al. // Active seeps and carbonated from the Kamchatsky Gulf (East Kamchatka) // Bull. Geol. Soc. Denmark. 1994. V.41. P.50-54.

35. Wigel R.L. Laboratory studies of gravity waves generated by the movement of a submarine body // EOS Trans. Am. Geophys. Union. 1955. V.36. N 5. Р.356.