Мутные течения исторически описывались как быстро движущиеся потоки, которые сметают подводные каньоны, унося песок и грязь в глубокое море. Но новая статья в Nature Communications показывает, что потоки мути состоят не только из насыщенной отложениями морской воды, протекающей по морскому дну, но и из-за крупномасштабных движений самого морского дна. Это впечатляющее открытие, ставшее результатом 18-месячного многостороннего исследования каньона Монтерей, может помочь инженерам-океанологам избежать повреждения трубопроводов, кабелей связи и других сооружений на морском дне.
Геологи знают о мутьевых потоках по крайней мере с 1929 года, когда сильное землетрясение вызвало сильное течение, которое распространилось на несколько сотен километров и повредило 12 трансатлантических кабелей связи. Мутные потоки по-прежнему представляют угрозу и сегодня, поскольку люди укладывают все больше и больше кабелей, трубопроводов и других сооружений на морское дно. Потоки мутности также важны для геологов-нефтяников, потому что они оставляют после себя слои отложений, которые содержат одни из крупнейших в мире запасов нефти.
Несмотря на почти столетие исследований, геологи изо всех сил пытались придумать концептуальную модель, подробно описывающую, как формируются и развиваются мутные потоки. Координированный эксперимент в каньоне был разработан, в частности, для разрешения этого спора. В ходе этого 18-месячного исследования исследователи из Научно-исследовательского института аквариумов залива Монтерей (MBARI), Геологической службы США, Университета Халла, Национального океанографического центра, Университета Саутгемптона, Университета Дарема и Университета океанов из Китая объединили свой опыт и оборудование для наблюдения за 50-километровым (31-мильным) участком каньона Монтерей с беспрецедентной детализацией.
Во время эксперимента исследователи разместили более 50 различных инструментов в семи разных местах каньона и провели подробные измерения во время 15 различных потоков мутности. Почти все потоки начинались у истока каньона на глубине менее 300 метров (1000 футов). После возникновения потоки прошли не менее нескольких километров вниз по каньону. Три крупнейших потока прошли более 50 километров, пронесшись мимо самой глубокой станции мониторинга в каньоне на глубине 1850 метров (6000 футов).
Эта обширная исследовательская программа показала, что потоки мутности в каньоне Монтерей связаны как с движением водонасыщенных отложений, так и с отложениями воды. Как описано в недавней статье Nature Communications, наиболее важной частью процесса является плотный слой водонасыщенных отложений, который быстро перемещается по дну и повторно мобилизует несколько верхних метров ранее существовавшего морского дна.
Это сильно отличается от предыдущих концептуальных моделей мутных течений, в которых основное внимание уделялось потокам мутной воды с наносами, движущейся над морским дном. Авторы недавней статьи действительно наблюдали шлейфы насыщенной отложениями воды во время помутнений, но они предполагают, что это вторичные особенности, которые образуются, когда пульсация насыщенных отложений смешивается с вышележащей морской водой.
«Весь этот эксперимент был попыткой узнать, что происходит на дне каньона», - сказал Чарли Полл, морской геолог MBARI и первый автор недавней статьи. «В течение многих лет мы видели, как инструменты на дне двигаются неожиданным образом, и мы подозревали, что морское дно может двигаться. Теперь у нас есть реальные данные, которые показывают, когда, где и как это происходит». Среди инструментов, использованных в эксперименте, были измерители течений, установленные на семи швартовках, расположенных на дне каньона. Анализируя данные с этих инструментов и измеряя время, которое потребовалось потокам для перемещения между причалами, исследователи были удивлены, обнаружив, что потоки, по-видимому, двигались вниз по каньону со скоростью, превышающей фактически измеренные водные потоки.
Хотя наклон и другие движения измерителей течений могли объяснить некоторые из этих наблюдений, ученые в конце концов пришли к выводу, что их инструменты не просто двигались потоками мутной воды, текущей над морским дном.
Исследователи также разместили на морском дне датчики размером с пляжный мяч, называемые детекторами бентических событий (BED). BED были спроектированы так, чтобы их можно было транспортировать потоками мути, при этом они несли инструменты, которые регистрировали их глубину, горизонтальное и вертикальное движение и вращение. Другие датчики движения были установлены на больших стальных рамах весом до 800 кг (1760 фунтов). Они были спроектированы так, чтобы оставаться неподвижными, пока потоки обтекали их.
Однако и BED, и тяжелые рамы были унесены далеко вниз по каньону во время сильной мути. На самом деле, тяжелые, неуклюжие рамы инструментов часто перемещались так же быстро, как и относительно легкие обтекаемые станки.
Исследователи также заметили большие песчаные волны, до двух метров (6.5 футов) в высоту, на дне каньона. Повторные исследования дна показали, что эти песчаные волны резко смещались во время помутнений, изменяя форму верхних двух-трех метров морского дна. Но исследователи все еще не были уверены, как именно произошло это преобразование.
Данные BED дали важную подсказку. Во многих случаях BED не просто двигались вниз по каньону в более глубокие воды, но двигались так же быстро или быстрее, чем вышележащая вода. Они также двигались вверх и вниз по течению на целых три метра через равные промежутки времени.
Исследователи пришли к выводу, что вместо того, чтобы «волочиться» по дну сильным течением, их инструменты «сплавлялись» плотным, прилегающим к дну слоем водонасыщенных отложений. Они предположили, что движение BED вверх и вниз происходило, когда инструменты перемещались по отдельным песчаным волнам. Как отметил Полл, «BED предоставили важное ядро новых данных, которые впервые позволили нам понять движение морского дна."
«Учебники и усилия по моделированию традиционно были сосредоточены на разбавленных потоках насыщенной осадками воды над дном», - добавил Полл. «Но теперь мы знаем, что разбавленные потоки - это лишь часть уравнения. Оказывается, они - хвостовая часть процесса, который на самом деле начинается на морском дне».