Назначение водохранилищ и их размещение на земном шаре
Глава 8
ГИДРОЛОГИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ
Водохранилище — это искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока.
Водохранилища стали сооружать еще в глубокой древности для обеспечения водой населения и сельского хозяйства. Одним из первых на Земле считают водохранилище с плотиной Садд-эль-Кафара, созданное в древнем Египте в 2950—2750 гг. до н. э. В XX в. водохранилища стали сооружать повсеместно. В настоящее время их на земном шаре более 60 тыс.; ежегодно в строй вступает несколько сот новых водохранилищ. Общая площадь всех водохранилищ мира более 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озер — 600 тыс. км2. Суммарный полный объем водохранилищ достиг почти 6,6 тыс. км3. Многие реки земного шара — Волга, Днепр, Ангара, Миссури, Колорадо, Парана и другие — превращены в каскады водохранилищ. Через 30—50 лет водохранилищами будет зарегулировано 2/3 речных систем земного шара.
ТИПЫ ВОДОХРАНИЛИЩ
Водохранилища могут быть подразделены на типы (рис. 8.1) по характеру ложа, способу его заполнения водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характеру регулирования стока.
По морфологическому строению ложа,согласно К.К. Эдельштейну, водохранилища делятся на долинные и котловинные (или озерные). К долинным относятся водохранилища, ложем которых служит часть речной долины. Такие водохранилища возникают после сооружения на реке плотины. Главный признак таких водохранилищ — наличие уклона дна и увеличение глубин от верхней части водоема к плотине. Долинные водохранилища подразделяются, в свою очередь, на русловые, находящиеся в пределах русла и низкой поймы реки, и поименно-долинные, водой которых помимо русла затоплена также высокая пойма и иногда участки надпойменных террас. К котловинным (озерным) водохранилищам относятся подпруженные (зарегулированные) озера и водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных с помощью дамб от моря заливах, лиманах, лагунах, а также в искусственных выемках (карьерах, копанях). Небольшие водохранилища площадью менее 1 км2 называют прудами.
По способу заполнения водойводохранилища бывают запрудные, когда их наполняет вода водотока, на котором они расположены, и наливные, когда вода в них подается из рядом расположенного водотока или водоема. К наливным водохранилищам относятся, например, водохранилища гидроаккумулирующих электростанций.
По географическому положениюводохранилища делят на горные, предгорные, равнинные и приморские. Первые из них сооружают на горных реках, они обычно узкие и глубокие и имеют напор, т. е. величину повышения уровня воды в реке в результате сооружения плотины до 300 м и более. В предгорных водохранилищах обычно высота напора 50—100 м. Равнинные водохранилища широкие и мелкие, высота напора — не более 30 м. Приморские водохранилища с небольшим (несколько метров) напором сооружают в морских заливах, лиманах, лагунах, эстуариях.
Рис. 8.1. Основные типы водохранилищ (по А.Б. Авакяну, В.П. Салтанкину, В.А. Шарапову (1987)):
а — долинное запрудное; б — котловинное запрудное (подпруженное озеро); в — котловинное наливное; г — котловинное наливное при гидроаккумулирующей электростанции; д — долинное запрудное в эстуарии при приливной электростанции; е — котловинное запрудное в опресненном морском заливе; 1 — река; 2 — плотина; 3 — затопленная при подпоре береговая зона озера; 4 — подводящий и отводящий каналы; 5 — водоводы; б — направление течения; 7 — зеркало водохранилища
Примерами высоконапорных горных водохранилищ являются Нурекское и Рогунское на Вахше с высотой напора около 300 м. К предгорным водохранилищам могут быть отнесены некоторые водохранилища Енисейского и Ангарского каскадов: Красноярское (высота напора 100 м), Братское (106 м), Усть-Илимское (88 м). Примерами равнинных водохранилищ могут служить водохранилища Волжского и Днепровского каскадов: Рыбинское (высота напора 18 м), Куйбышевское (29 м), Волгоградское (27 м), Каневское (15 м), Каховское (16 м). К приморским водохранилищам относятся, например, опресненная водами Дуная лагуна Сасык на западном побережье Черного моря на Украине, водохранилище Эйсселмер в Нидерландах, образованное в результате отчленения от Северного моря залива Зейдер-Зе и его опреснения водами Рейна.
Сооружение равнинных водохранилищ обычно сопровождается большим затоплением территорий — пойменных лугов, лесов, сельскохозяйственных угодий, иногда требует переноса на новое место населенных пунктов, предприятий, дорог. При сооружении горных водохранилищ больших затоплений территории не происходит.
По месту в речном бассейневодохранилища могут быть подразделены на верховые и низовые. Система водохранилищ на реке называется каскадом.
По степени регулирования речного стока(см. разд. 6.15.3) водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования. Характер регулирования стока определяется назначением водохранилища и соотношением полезного объема водохранилища и величины стока воды реки.
ВОДНЫЙ РЕЖИМ ВОДОХРАНИЛИЩ
Водный баланс водохранилищ, так же как и водный баланс озер, может быть охарактеризован уравнением (7.3), а в среднем для многолетнего периода — уравнением (7.6).
Характерная черта структуры водного баланса водохранилищ — преобладание притока речных вод в приходной и преобладание стока вод в расходной части уравнения водного баланса. На долю осадков в большинстве случаев приходится лишь 2—3% прихода вод, на долю испарения — обычно не более 10% расхода вод. Основная причина этого — весьма большие значения величины удельного водосбора j для большинства водохранилищ. Так, величины Кх и Kz определенные по формулам (7.9) и (7.10), равны для водохранилищ: Куйбышевского — соответственно 1 и 1%, Красноярского — 1 и 1%, Братского — 2 и 2%, Цимлянского — 5 и 9%.
Исключение составляют лишь либо очень большие водохранилища, либо водохранилища, расположенные в районах с весьма значительными величинами осадков и испарения. Так, в очень крупном водохранилище Вольта в Гане на долю осадков приходится 22% приходной части водного баланса (величина осадков 1400 мм), а на долю испарения — 25% расходной части водного баланса (испарение с поверхности водохранилища 1570 мм). Велико значение коэффициента Kz и для водохранилищ Насер на р. Ниле (Kz = 13%, zвдхр = 2000 мм), Кариба на р. Замбези (Kz = 14%, zвдхр = 1670 мм), Лейк-Мид на р. Колорадо (Kz= 10 %, zвдхр = 2100мм). Все три последних водохранилища расположены в условиях весьма засушливого климата.
Для водохранилищ, расположенных в условиях избыточного и достаточного увлажнения, Ynp<Yст, т. е. ниже водохранилища происходит некоторое увеличение речного стока. Наоборот, в условиях недостаточного увлажнения Ynp>Yст, и в водохранилищах теряется часть стока, причем тем больше, чем больше величина zвдхр – xвдхр и площадь водохранилища.
Интенсивность водообмена для водохранилищ обычно больше, чем для озер. Поскольку роль местных осадков и испарения в водном балансе большинства водохранилищ невелика, значения коэффициента условного водообмена, рассчитанные по формуле (7.14), для водохранилищ обычно значительно больше, чем для озер, что объясняется меньшими объемами искусственных водоемов. Для большинства водохранилищ России значения Квнаходятся в пределах 0,3—10, т.е. период условного обновления вод в этих водохранилищах составляет приблизительно от 3 лет до 1 месяца. Наибольшие коэффициенты условного водообмена для наиболее крупных водохранилищ мира составляют: Насер — 0,5—0,6; Вольта — 0,3—0,4, Кариба — 0,3, Братское — 0,5 (вода в этих водохранилищах обновляется, таким образом, приблизительно за 2—3 года).
Как показал М.А. Фортунатов, для более детальной оценки характера водообмена в водохранилищах необходимо коэффициенты условного водообмена Кви периоды условного водообмена τв рассчитывать отдельно для полного и полезного объемов водохранилища. Для полезного объема величина Квбольше, а τв меньше, чем для полного.
Колебания уровня водыв водохранилищах в основном являются следствием искусственно регулируемого процесса наполнения и сработки водохранилища (рис. 8.3) и могут быть оценены с помощью полного уравнения водного баланса водоема (7.3).
В период наполнения, обычно во время половодья и паводков на реке, уровень воды в водохранилище может подняться на значительную величину (иногда от уровня мертвого объема до нормального подпорного уровня) (см. рис. 8.2). На такую же величину уровень снижается в период сработки водохранилища. В равнинных водохранилищах величина сезонных колебаний уровня составляет обычно 5—7 м, на горных 50—80 м, т.е. она значительно больше, чем на озерах. Велика на водохранилищах и интенсивность сезонных повышений и понижений уровня воды. Существенно меньшие по величине колебания уровня сопутствуют недельному и суточному режиму наполнения и сработки водохранилищ. Наибольшие колебания уровня свойственны нижней зоне водохранилища, в зоне переменного подпора изменения уровня сходны с речными.
Так же как и на озерах, на водохранилищах (особенно на мелководьях) довольно обычны сгонно-нагонные колебания уровня. Для долинных водохранилищ наиболее значительные сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются в тех случаях, когда ветер дует вдоль водохранилища.
Рис. 8.3. Типичный график изменения уровня воды в водохранилище в течение года:
1 — наполнение; 2— сработка полезного объема водохранилища (I—XII — месяцы)
Теченияв водохранилищах имеют много общего с течениями в озерах (см. разд. 7.6), но отличаются более сложной пространственной структурой и нестационарным характером. Наиболее сильные течения наблюдаются иногда в затопленных речных руслах, в заливах встречаются застойные зоны. В водохранилищах с большой площадью поверхности, как и в озерах, наблюдаются сильные ветровые течения, во многих водохранилищах — плотностные течения.
Волнениена водохранилищах зависит от их размера. Обычно оно слабее, чем на озерах, но сильнее, чем на реках. На больших водохранилищах высоты волн достигают 2—3 м. Важнейшие последствия ветрового волнения на водохранилищах — вертикальное перемешивание вод, особенно на мелководьях, абразия берегов, ухудшение условий жизнедеятельности макрофитов.
ИХ БЕРЕГОВ
Водохранилища, как и озера, являются аккумуляторами наносов. В уравнении баланса наносов (7.24) для водохранилищ в приходной части преобладают поступление наносов с речным стоком R+реч и продукты размыва берегов Rбер(в первые десятилетия существования этих водоемов), а в расходной — аккумуляция наносов и сброс наносов с водой в нижний бьеф R-реч.
Так, по Н.А. Зиминовой, для Угличского водохранилища на реке Волге доля R+реч и в приходной части уравнения баланса наносов с 1940 по 1968 г. изменилась соответственно с 29 до 63% и с 68 до 30%, т. е. вклад размыва берегов в баланс наносов неуклонно уменьшался. За этот же период доля R-речи Rаккизменилась соответственно с 35 до 68% и с 65 до 32%, т. е. доля транзитного выноса наносов увеличилась, а их аккумуляция уменьшилась. Отмеченные закономерности характерны для многих равнинных водохранилищ.
Отложение в водохранилище мелких (взвешенных) наносов называют заилением, крупных (влекомых) — занесением. Если не удается различить мелкие и крупные наносы, то процесс аккумуляции всей совокупности наносов в водохранилище называют заилением. В результате заиления формируется толща донных отложений водохранилища (см. рис. 6.23). При равномерном отложении наносов период заиления мертвого объема водохранилища τзлможно приближенно определить по формуле
τзл =Vмо/WR(1-σ), (8.1)
где Vмо— мертвый объем водохранилища, м3; WR — средний годовой сток наносов реки, м3; σ — доля стока наносов, проходящая через водохранилище транзитом (для равнинных водохранилищ, а может достигать 0,3—0,4, для глубоких горных водохранилищ практически весь сток наносов реки задерживается в водохранилище и σ приближается к 0). Сток наносов реки, в свою очередь, определяют по формуле WR = 
• 31,5 • 106/rотл где — средний годовой расход наносов, кг/с; 31,5 • 106 —количество секунд в году; rотл — плотность донных отложений, равная 700—900 кг/м3 для илистых отложений, 1900—1300 кг/м3 для песчанистого ила и илистого песка, 1500—2200 кг/м3 для песков и гравия с галькой.
Интенсивность отложения наносов и период заиления водохранилища (т. е. время его «жизни») зависят от стока наносов реки и объема водохранилища. В равнинных водохранилищах на реках с небольшим стоком наносов ежегодное нарастание дна невелико. Так, на Иваньковском и Рыбинском водохранилищах на Волге ежегодно отлагается слой наносов, равный в среднем 0,2 и 0,25 см соответственно (при максимальных значениях 1,9 и 6,0 см/год). Период заиления таких водохранилищ весьма велик. Интенсивность заиления небольших водохранилищ на реках с большим стоком наносов, в особенности в засушливых районах, очень велика. Например, в США некоторые водохранилища в пустынной зоне заполнялись наносами за 10—15 лет.
После сооружения водохранилища и повышения уровня воды в зону волновой переработки (абразии) попадают берега водохранилища — бывшие склоны долины. В результате абразии, как и на озерах, формируются береговой уступ, и абразионная отмель в верхней части берегового склона (см. рис. 7.1). Наиболее интенсивно разрушаются сложенные лёссовидными грунтами берега водохранилищ в степной, полупустынной и пустынной зонах. За первые 10 лет существования водохранилища берег может отступить на 200 м и более. Так, в первые годы существования Цимлянского водохранилища на Дону, по данным С.Л. Вендрова, отмечалось отступание берега со средней интенсивностью 9 м/год (при максимальных величинах размыва 50 м/год). В результате разрушения берегов могут пострадать строения и сельскохозяйственные угодья.
Наиболее крупные фракции продуктов волнового разрушения берегов водохранилищ идут в основном на формирование аккумулятивной части отмели, а более мелкие отлагаются в его глубоководных местах или выносятся в нижний бьеф.
ВОДНЫЕ МАССЫ ВОДОХРАНИЛИЩ
Гидрологическая структура водохранилищ, как показали Н.В. Буторин и К.К. Эдельштейн, обладает существенными особенностями. Хотя в водохранилищах, как и в крупных озерах, встречаются обе водные массы — первичная (речная) и основная (водная масса самого водохранилища, аналогичная озерной водной массе), соотношение их объемов отличается от соотношения, свойственного озерам. В крупных озерах на долю речной водной массы приходится небольшая часть общего объема вод (на Онежском озере в среднем менее 10—15%); в водохранилищах относительный объем речной водной массы возрастает (в Рыбинском водохранилище до 35—55% в половодье и 10—25% в межень). Водные массы в водохранилищах поэтому более подвижны, чем в озерах. Особенностью водохранилищ является также формирование специфической придонной водной массы в приплотинном районе как модификации основной водной массы.
Глава 9
ГИДРОЛОГИЯ БОЛОТ
В географической литературе в термин «болото» вкладывают либо широкое, либо узкое содержание. В широком толковании болото — это избыточно увлажненный с застойным водным режимом участок земли, на котором происходит накопление органического вещества в виде неразложившихся остатков растительности. В более узком смысле болото отождествляют с торфяником, т. е. избыточно увлажненным участком земли, имеющим слой торфа толщиной не менее 30 см и покрытым специфической растительностью. Избыточно увлажненные земельные площади со слоем торфа толщиной менее 30 см или вовсе не имеющие его называют в таком случае заболоченными землями.
Мы будем придерживаться более широкого толкования термина, и относить к болотам не только торфяные болота — торфяники, но и заболоченные леса, луга, участки тундры и др., т. е. заболоченные земли, не имеющие хорошо выраженного слоя торфа. Для такого широкого толкования термина «болото» имеются два основания. Во-первых, на многих заболоченных землях наблюдаются начальные фазы формирования слоя торфа (хотя и замедленного), что в условиях холодного климата может объясняться малой интенсивностью прироста органического вещества, а в условиях жаркого климата — большой интенсивностью его разложения. Поэтому не относить к болотам заболоченные земли означало бы не учитывать генетического единства этих объектов. Во-вторых, к болотам целесообразно отнести огромные пространства заболоченных тропических лесов, приморских солоноватоводных маршей или мангровых болот (торфа у них обычно мало или нет вовсе), поскольку все эти объекты объединяет избыточная застойная увлажненность. В противном случае эти природные объекты, несомненно, относящиеся к водным, выпали бы из поля зрения гидрологии.
ТИПЫ БОЛОТ
Следуя Н.Я. Кацу, будем подразделять все болота на две большие группы — заболоченные земли (не имеющие хорошо выраженного слоя торфа) и собственно торфяные болота.
К заболоченным землям можно отнести многие типы болот: травяные болота арктической тундры, тростниковые и осоковые болота лесостепи, засоленные болота полупустыни и пустыни (солончаки), заболоченные тропические леса, пресноводные тропические травяные болота сезонного увлажнения, пресноводные и солоноватоводные приморские болота (марши), соленые мангровые болота и т.д.
По комплексу геоморфологических, гидрологических и геоботанических признаков торфяные болота, лучше изученные и приуроченные в основном к тундре, лесной зоне и лесостепи, подразделяются, в свою очередь, на три типа: низинные, переходные и верховые (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Схема верхового (а) и низинного (б) торфяных болот:
микроландшафты: 1 — осоковые, осоково-тростниковые, осоково-гипновые; 2 — сфагново-осоковые; 3 — сфагново-пушицевые; 4 — ольшаники; 5 — сосново-сфагновые; 6— залежь сфагнового торфа; 7 — залежь тростникового и осокового торфа; 8 — минеральный грунт
Низинные болота обычно имеют вогнутую или плоскую поверхность, способствующую застойному характеру водного режима. Образуются они в низких местах — по берегам рек и озер. В последнее время такие болота стали появляться в зонах подтопления водохранилищами. К низинным болотам относятся также пойменные и притеррасные болота, болота в низовьях и дельтах рек (так называемые «плавни» с густыми зарослями тростника).
Важнейшие гидрологические особенности низинных болот — наличие близлежащего водоема или водотока, неглубокое положение уровня грунтовых вод, преобладание в водном питании поверхностных и грунтовых вод — поставщиков минеральных биогенных веществ.
Характерной чертой низинных болот являются евтрофные растения, требовательные к минеральным веществам. Среди таких растений — ольха, береза (иногда ель), осоки, тростник, рогоз.
Верховые болота имеют мощный слой торфа и выпуклую поверхность. Отличительная черта гидрологического режима верховых болот — преобладание в их водном питании атмосферных осадков, бедных минеральными биогенными веществами. Для верховых болот характерны олиготрофные растения, нетребовательные к минеральным веществам: сосна, вереск, пушица, сфагновые мхи. Образуются верховые болота обычно на водоразделах, а также в других местах в результате эволюции низинных болот.
Верховые болота подразделяют на два подтипа — лесные, покрытые ковром сфагнового мха и сосной, а восточнее Енисея — лиственницей, и грядово-мочажинные, имеющие длинные гряды с кочками торфа и понижения — мочажины, покрытые сфагновым мхом и заросшие травянистой растительностью.
Промежуточное положение занимают переходные болота с плоской или слабовыпуклой поверхностью и мезотрофной растительностью (умеренного минерального питания). Наиболее типичные растения таких болот — береза (иногда сосна), осоки, сфагновые мхи.
Для каждого из трех типов торфяных болот характерны определенные сочетания видов растительности (биоценозов) в совокупности с геоморфологическими особенностями отдельных частей болот, создающие специфические болотные микроландшафты (см. рис. 9.1). Так, весьма типичными микроландшафтами (по К.И. Иванову) для низинных болот являются древесные (олыианиковые, березовые и др.), древесно-осоковые, древесно-осоково-сфагновые, тростниковые, тростниково-осоковые и другие, для переходных болот — древесно-осоковые, сфагново-осоковые и другие, доя верховых — сосново-кустарничковые, сосново-сфагновые, сфагново-пушицевые и др. Своеобразными болотными микроландшафтами являются комплексные грядово-мочажинные микроландшафты с различным характером растительности в зависимости от типа болот, а также грядово-озерковые, озерково-мочажинные микроландшафты и др.
РАЗВИТИЕ ТОРФЯНОГО БОЛОТА
Развитие торфяного болота — закономерный взаимосвязанный процесс накопления торфа (в результате роста, отмирания и частичного разложения растительности) и изменения водного режима торфяной залежи.
Водный режим не только создает начальные условия возникновения болота (при заболачивании суши или зарастании водоема), но и влияет на последующие фазы его развития. Накопление торфа ведет к изменению водного режима, а оно, в свою очередь, вызывает изменение условий существования растений и их видового состава, изменения интенсивности роста и разложения растительной массы и накопления торфа. Эти взаимодействующие процессы и приводят к развитию торфяного болота, проявляющемуся в постепенном накоплении торфа, увеличении мощности торфяной залежи и повышении поверхности болота; в распространении болота в ширину и расширении зоны заболачивания; в последовательной смене типа растительного покрова от евтрофного к мезотрофному, а затем олиготрофному; в изменении водного режима болота, увеличении роли атмосферных осадков в его питании, повышении уровня грунтовых вод в торфяной залежи и на смежных территориях.
Образование торфяных болот начинается с очагов заболачивания, которыми могут быть водоемы, неглубокие депрессии, русла слабопроточных водотоков, места выхода грунтовых вод на поверхность (родники, мочажины), участки подтопления вблизи водохранилищ, насыпей железных и шоссейных дорог и т.д.
Рассмотрим в качестве примера процесс развития болота на месте неглубокой депрессии (рис. 9.3). Этот процесс включает три фазы: низинную, переходную и верховую.
Поступление поверхностных и грунтовых вод, направленное к центру депрессии, ведет к формированию застойного водного режима и возникновению низинного болота (1 на рис. 9.3) с присущей ему евтрофной растительностью. Пройдя переходную фазу 2, болото постепенно вступает в верховую фазу своего развития (3—6 на рис. 9.3). Формирующийся в процессе развития болота слой торфа оказывает подпорное влияние на уровень грунтовых вод. Это приводит к расширению пояса переувлажненной почвы и расширению зоны болотообразования.
Рис. 9.3. Схема развития торфяного болота на месте неглубокой депрессии:
фазы: 1 — низинная; 2 — переходная; 3—6 — верховая; 7 — исходный рельеф; 8 — поверхность болота; 9 — уровень грунтовых вод; направление: 10 — стекания вод; 11— наращивания торфяной залежи по высоте; 12 — повышения уровня грунтовых вод в минеральном грунте
Накопление торфа идет в болоте неравномерно. В низинную фазу развития болота наименьшая интенсивность разложения растительных остатков и наибольшая интенсивность накопления торфа отмечаются в наиболее низких застойных частях болота, т. е. в его центре. Это ведет к выравниванию поверхности болота и способствует началу переходной фазы его развития. В эту фазу накопление торфа идет по площади более равномерно, и его поверхность в центре болота поднимается приблизительно параллельно самой себе. В результате на краях болота возникают уклоны поверхности к периферии болота. Питание болота грунтовыми водами резко сокращается или прекращается вовсе. Питание растительности преимущественно атмосферными осадками приводит к смене в центре болота мезотрофной растительности олиготрофной. Разложение органических остатков замедляется, а интенсивность образования торфа возрастает. Центральная часть болота начинает повышаться быстрее. Одновременно идет процесс расширения болота, причем заболачиванию прилегающих территорий способствует не только подпор грунтовых вод торфяной залежью (что отмечалось и на первых двух фазах развития болота), но и фильтрация атмосферных осадков от центра болота к его периферии.
В последующем может наступить и фаза деградации торфяного болота как результат увеличения дренажной роли русловой сети, пересушения болота и его выгорания.
Глава 10
Согласно древнегреческому мифу, титан Океан, сын Неба-Урана и Земли-Геи,— это великая безбрежная река, обтекающая суш. По мере развития цивилизации и географических знаний общая картина распределения суши и воды на поверхности Земли уточнялась, и сейчас Мировым океаном называется единая непрерывная водная оболочка Земли, окружающая все материки и острова и обладающая общностью солевого состава. Мировой океан, включающий четыре океана и множество морей,— главная часть гидросферы, он играет важнейшую роль в круговороте воды и тепловой энергии на Земле.
Происхождение ложа океана
Установлено, что главный источник всей воды на Земле — дегазация вещества мантии Земли. Однако вопрос о происхождении ложа океана до сих пор не решен. Существует несколько гипотез, которые относятся к проблемам геотектоники.
Все гипотезы происхождения океанов пытаются объяснить весьма различные свойства земной коры под океанами и под материками. Под материками земная кора имеет большую толщину — до 70 км, а в среднем 30—40 км. Под океанами земная кора значительно тоньше (5—10 км), и ее подошва лежит выше, чем под материками.
Земная кора может включать несколько слоев (сверху вниз): осадочный, «гранитный», «базальтовый». Истинный состав двух последних слоев может и не соответствовать гранитам и базальтам, но скорость прохождения сейсмических волн свойственна таким породам. Под континентами толща осадочного слоя достигает в среднем 5 км, «гранитного» — 15—20, «базальтового» — 15—20 км. Под крупными горными системами толщина слоев возрастает.
На дне океанов осадочная толща значительно меньше — от сотен метров до нескольких километров. Гранитный слой отсутствует, а ложе океанов, подстилающее осадочную толщу, сложено только базальтами особого, океанского типа толщиной до 10 км.
Рельеф дна Мирового океана
В первых представлениях географов о характере рельефа дна ложе океана, в противоположность рельефу суши, рисовалось как ровная, плоская поверхность, не имеющая ни гор, ни впадин. С развитием исследований океана, а в особенности с широким использованием эхолота в середине XX в. взгляды коренным образом изменились. В настоящее время рельеф дна океана изучен довольно подробно и предстает перед нами не менее сложным, чем рельеф суши.
Общее, осредненное представление о распределении на Земле высот на континентах и глубин дна океана дает гипсографическая кривая (для дна океана — батиграфическая кривая).
На гипсографической кривой хорошо выделяются: на суше — высокие горы, занимающие малую площадь, и равнины, площадь которых на суше преобладает; в океане — прилегающая к берегу моря небольшая по площади мелководная часть, обширное ложе океана со средними глубинами 4000—5000 м и очень малые по площади участки больших глубин. С помощью батиграфической кривой можно выделить главные элементы рельефа дна океана (рис. 10.1):
подводная окраина материков (22% площади дна Мирового океана), включающая шельф, или материковую отмель (0—200 м), материковый склон (200—2000 м) и материковое подножие (2000— 2500 м);
ложе океана (2500—6000 м), занимающее почти всю остальную площадь дна, за исключением особого вида рельефа — океанических желобов;
океанические желоба (глубже 6000 м), занимающие всего лишь 1,3% площади дна.
На рис. 10.1 показано распределение по площади различных ступеней высот суши и глубин дна Мирового океана. Выделяют два максимума площадей — от 0 до 1000 м на суше и от 4000 до 5000 м на ложе океана. Это служит косвенным показателем существования двух элементов земной коры — материков и океана.
Рис. 10.1.Гипсографическая кривая земного шара (объяснения см. в тексте)
Материковая отмель (шельф) — верхняя мелководная часть подводной окраины материков (с глубинами в среднем до 200, иногда до 400 м). Шельф окаймляет материки и острова. Наибольшая ширина шельфа — вдоль северных берегов Евразии, где его внешняя граница уходит в Северный Ледовитый океан на сотни километров. Велика его ширина и в Атлантическом океане вдоль берегов Европы и Северной Америки, а также у берегов Патагонии. Наименьшая ширина шельфа в Тихом океане вдоль западных берегов Северной и Южной Америки. Шельф занимает около 40% площади подводных окраин материков. Остальную, большую часть составляют материковый склон и материковое подножие.
Материковый склон распространяется от внешней границы шельфа и иногда до глубин 3500 м. Это боковая грань материковой глыбы. Материковый склон имеет большие утлы наклона (в среднем 4—7°, иногда до 30°). На некоторых участках океана материковый склон прорезан глубокими подводными каньонами. Полагают, что часть каньонов — результат тектонических процессов, а большинство — следствие воздействия так называемых «мутьевых», или суспензионных, потоков, «пропиливающих» склон. Некоторые каньоны представляют собой затопленные долины и русла крупных рек.
Материковое подножие занимает пространство с глубинами 2000— 2500 м, а кое-где до 4000 м. Здесь встречаются конусы выноса упомянутых выше каньонов (их называют «глубоководными конусами выноса»). А в целом это шлейф осадков, накопленных у материкового склона, подобный шлейфам, образующимся у подножия гор на континентах.
За подножием в сторону океана (на глубинах более 4000—4500 м) располагается ложе океана, которое по рельефу весьма неоднородно. На ложе океана выделяют как положительные, так и отрицательные формы рельефа.
К положительным формам относятся: срединно-океанические хребты, подводные плато, отдельные подводные горы — гайоты (в том числе подводные вулканы).
Срединно-океанические хребты, как и ложе океана, имеют тот же таксономический ранг, что и материковые структуры — шельф, склон и материковое подножие, но занимают вдвое большую площадь. В каждом океане существует хребет меридионального направления. Южные оконечности хребтов смыкаются с широтным подводным хребтом, расположенным между Антарктидой и другими южными материками: Южной Америкой, Африкой и Австралией. Это величайшая горная система Земли, поэтому ее называют планетарной системой срединно-океанических хребтов. Общая протяженность системы более 60 000 км. Она занимает более 15% поверхности дна Мирового океана, имеет очень сложную геологическую структуру. Вдоль гребня хребта проходят рифтовые долины, хребет пересекают многочисленные поперечные разломы. Наиболее отчетливо на дне Мирового океана выражен Срединно-Атлантический хребет, который и изучен лучше других.
К отрицательным формам рельефа дна океана относятся котловины, ложбины и океанические желоба (глубиной более 6000 м). Океанические глубоководные желоба — узкие и длинные, в плане обычно дугообразные депрессии, располагающиеся вдоль внешнего края островных дуг, а также некоторых материков. Ширина желобов от 1—3 до нескольких десятков километров, а длина — сотни километров. Хотя океанические желоба и занимают малую долю площади дна в океане, они представляют собой очень своеобразный объект дна, привлекающий внимание не только геологов, но и гидрологов, так как в этих желобах создаются совершенно особые условия для развития гидрологических, гидрохимических и биологических процессов.
На дне океана выделяют также рифтовые долины, трансформные разломы и другие элементы геотектонической структуры земной коры. К подобным образованиям относятся также островные дуги, как, например, Курильская, Марианская, Малая Антильская и др.
Донные отложения
В морской воде находится много примесей: растворенных веществ, коллоидов, взвесей, живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Эти примеси в океане, как в гигантском отстойнике, постепенно осаждаются на дно и формируют донные отложения, или донные осадки. Самый верхний слой этих осадков образует грунт дна, поверхностный слой литосферы под океаном.
В соответствии с характером исходного материала, из которого образуются донные отложения, они подразделяются на два основных типа: терригенные и органогенные, или биогенные. Такое деление в большой степени условно, так как в природе отложения обоих типов не локализованы строго, и отнесение грунта к одному или другому типу определяется степенью преобладания органогенных или терригенных осадков.
К терригенным отложениямотносятся продукты размыва суши — взвешенные наносы, выносимые реками, а также продукты разрушения берегов океана (абразии). Эти отложения занимают ближайшие к суше пространства дна — приблизительно одну четверть всей площади дна океанов.
Основная масса терригенных отложений в Мировом океане представлена илами. На дне океана формируются илы особого химического состава и цвета. Так, в высоких широтах встречается голубой ил, в Тихом и Индийском океанах — синий, у берегов Южной Америки — красный (определяется цветом выносимых реками наносов), в Черном море — черный (влияние содержащегося на глубинах H2S), в других районах океана — серый, белый, коричневый ил. Часто и название илу на океанском дне дают по его цвету.
Органогенные отложенияформируются из остатков отмерших (в основном планктонных) организмов, живущих в воде, — скелетов, раковин и др.
В состав донных отложений входят также (в небольших количествах) эоловые (приносимые ветрами с суши), пирокластыческие (вулканогенные), хемогенные (осаждение солей из морской воды) и космические материалы, попадающие в океан из космического пространства в виде пыли и магнитных шариков.
Ежегодно реки приносят в Мировой океан около 16 млрд т наносов; ветры и вулканы — по 2 млрд т, абразия берегов и айсберги — по 1 млрд т, космический материал составляет всего 10 млн т в год. Всего же, если учесть еще и сток растворенных веществ, а также жизнедеятельность морских организмов, в донные отложения Мирового океана ежегодно поступает около 25 млрд т разных осадков. Скорость осадкообразования в океанах очень мала, она измеряется миллиметрами за 1000 лет и весьма разнообразна: для красной глины — менее 1 мм/1000 лет, органогенного ила — до 60 мм/1000 лет. Скорость накопления осадков в морях на один-два порядка выше, чем в океанах.