Роль визуальных наблюдений в глубоководных исследованиях океана

Открытие гидротермальных полей на дне океана — одно из самых значимых научных достижений ХХ в. В 1977 г. во время погружения на обитаемом глубоководном аппарате «Алвин» в районе Галапагосских о-вов американские ученые описали невиданное прежде сообщество животных, обитавших в очень горячих придонных водах. Необычное для подобных глубин буйство жизни ошеломило наблюдателей [1]. В дальнейшем специалисты установили, что основу пищевой цепи гидротермальной биоты составляют хемосинтезирующие бактерии.

Спустя год, продолжая наблюдения из аппарата «Алвин», исследователи обнаружили горячий флюид (поток веществ из глубинных горизонтов земной коры), поступавший в виде черного «дыма» из сульфидных труб на дне океана; на выходе его температура достигала 300–400°С. Такие гидротермальные источники получили имя «черных курильщиков» [2]. А затем последовали открытия метановых сипов, или просачиваний газа, сквозь осадочную толщу с образованием на дне так называемых бактериальных матов — сообществ метанотрофных микроорганизмов, подобно снегу покрывающих обширные пространства.

Представления ученых о том, что гидротермальные излияния в виде «черных курильщиков» возникают только при высокой скорости спрединга* (в районе Восточно-Тихоокеанского поднятия она составляет до 18 см/год), были пересмотрены после открытия американского исследователя Питера Роны в 1986 г. Он провел визуальные наблюдения и описал фауну горячих источников Срединно-Атлантического хребта, доказав, что гидротермы на дне океана есть и в районах с медленным раздвижением тектонических плит (около 2 см/год).

Благодаря целой серии открытий в настоящее время известно около 200 гидротермальных полей, приуроченных главным образом к срединно-океаническим хребтам, районам задугового спрединга, другим тектонически активным участкам Мирового океана. И определяющую роль в их поиске сыграли глубоководные обитаемые аппараты (ГОА).

Уникальный опыт научных открытий «через иллюминатор»

Визуальные наблюдения с борта ГОА позволили изучить гидротермальные процессы на дне океана с максимальной детальностью и высокой степенью достоверности. В последние два десятилетия для этих целей все шире применяются телеуправляемые аппараты и роботы, однако исследование океана через мониторы не отменяет ценности наблюдений на глубине, когда встречаешься с уникальными явлениями непосредственно. И конечно, ни один другой метод не подарит неповторимых эмоций, присущих этой сложной работе, требующей от наблюдателей особой подготовки.

Обитаемые и телеуправляемые аппараты, разумеется, нерационально использовать для глобального поиска гидротермальных явлений на дне океана ввиду ограниченности их возможностей в передвижении и энергообеспечении. Однако они незаменимы при детализации исследований, когда гидротермальное поле найдено с помощью буксируемых аппаратов, многолучевых эхолотов либо традиционных средств (пробоотборников, измерительных зондов и т. д.). С помощью ГОА открыто большинство горячих источников на дне океана. «Алвин» (США), «Нотиль» (Франция), «Шинкай-6.5» (Япония) и наши «Мир-1 и -2» внесли значительный вклад в развитие океанологии. Глубоководные визуальные наблюдения развиваются и в XXI в.: в 2012 г. в Китае введен в строй новый ГОА «Яолонг» с рабочей глубиной 7000 м (табл. 1).

Таблица 1. Глубоководные обитаемые аппараты, внесшие наибольший вклад в исследования гидротермальных полей на дне океана

Специалисты Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН (ИО РАН) начали изучение горячих придонных флюидов около 30 лет назад. В 1985 г. с помощью ГОА «Пайсис VII и XI» (глубина погружения до 2000 м) мы исследовали гидротермальные поля Хуан де Фука и Гуаймас в Тихом океане, а также метановые сипы в районе о. Парамушир на Дальнем Востоке. С вводом в строй ГОА «Мир-1 и -2» (максимальная глубина погружения 6000 м) возможности ИО РАН значительно расширились, так как для наблюдений стало доступно 98% площади дна Мирового океана [3]. С помощью «Миров» было проведено 35 океанических экспедиций в 23 гидротермальных района Атлантического, Тихого и Северного Ледовитого океанов. В полях ТАГ, Рэйнбоу, Гуаймас и некоторых других мы погружались по три-четыре раза, что помогло проследить закономерности их развития. И именно «Миры» первыми побывали на поле Логачёва (14°45? с. ш., Срединно-Атлантический хребет), подводном вулкане Пийпа в Беринговом море и на мощном метановом сипе Хаакон Мосби в Норвежском море. Я хочу рассказать о ключевых погружениях в каждом из трех названных гидротермальных районов.

Путешествие на подводный вулкан

В 1989 г. ученые Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН на Камчатке впервые обнаружили в районе вулкана Пийпа в Беринговом море температурные аномалии. Анализ отобранных со дна гидротермально измененных образцов геологических пород позволил предположить наличие здесь гидротермальных излияний. В августе 1990 г. состоялось погружение ГОА «Мир-1» с участием биолога Льва Москалева, бортинженера Дмитрия Васильева и автора статьи.

В задачи наблюдателя входило определение видов встреченных животных и визуальная оценка плотности их поселений. Москалев, ученик выдающегося биоокеанолога академика Льва Александровича Зенкевича, предполагал, что во время погружения на одну из двух вершин вулкана Пийпа мы увидим сообщества животных, маркирующих гидротермальные проявления — прежде всего, гигантских двухстворчатых моллюсков калиптоген (размеры некоторых видов достигают почти 30 см) и червеобразных животных вестиментифер. Однако жизнь внесла свои коррективы.

Дело в том, что на глубине 380 м на склоне вулкана мы впервые в этом районе (!) обнаружили «белые курильщики». «Мир-1» парил над пустынной поверхностью, покрытой белой, будто гипсовой, коркой. Донных животных не было видно. Посреди этой мертвой территории возвышалась белая труба высотой 1,5 м, из которой, словно из газовой горелки, била под большим напором белая струя. Зондирование показало, что на выходе из жерла источника температура флюида не превышает 110°С (напомню, что в «черных курильщиках» температура составляет 320–400°С). Анализ отобранных геологических образцов, проведенный в лаборатории научно-исследовательского судна (НИС) «Академик Мстислав Келдыш», свидетельствовал: вокруг «белого курильщика» преобладают химические соединения кальция и бария. У подножия трубы обильно выделялись пузырьки газа, и Москалев высказал мнение, что тут выходит метан. Версия о составе газовой смеси подтвердилась при лабораторном анализе отобранных проб: 80,6% составил метан (табл. 2).

Таблица 2. Состав газовой смеси, отобранной в гидротермальном источнике вулкана Пийпа

Во время работы на глубине вспоминаются слова великого русского ученого В. И. Вернадского о «всюдности жизни». На протяжении всего погружения на вулкан Пийпа мы встречали бактериальные маты, развивающиеся за счет хемосинтеза, и в некоторых местах отобрали пробы. На склоне одной из вершин вулкана, на глубине 400 м, нас ждало портясающие зрелище: в горячих струях флюида, бьющего из зияющего проема размером 0,5 м2, колыхались бактериальные маты, словно огромные куски материи. Окрашенные в белые, ярко-желтые, оранжевые, серые тона, они напоминали костер с причудливыми формами пламени, на который можно смотреть часами, не замечая течения времени. Пожалуй, это был один из самых ярких эпизодов нашего путешествия.

Что же касается сообществ калиптоген, маркирующих гидротермальные и метановые выходы, их мы увидели при обследовании южной вершины вулкана Пийпа. Так было открыто самое северное (из известных в то время) и самое мелководное местообитание этих животных, и их ареал удалось уточнить благодаря визуальным наблюдениям.

Русская точка на карте гидротермальных полей

Гидротермальное поле Логачёва найдено учеными ВНИИОкеангеологии (Санкт-Петербург) в 1994 г. Приборы, опущенные с борта НИС «Профессор Логачёв», зафиксировали высокотемпературные аномалии; затем со дна подняли образцы сульфидов, а с помощью телеуправляемого аппарата были получены фотографии черных дымов. Детальные исследования предстояло провести специалистам ИО РАН, прибывшим на НИС «Академик Мстислав Келдыш» с ГОА «Мир-1 и -2» на борту в феврале 1995 г. Мы осуществили двойное погружение аппаратов. Экипаж ГОА «Мир-1» состоял из геолога Юрия Александровича Богданова, бортинженера Дмитрия Витальевича Войтова и автора настоящей статьи — командира.

Когда аппарат опустился на грунт на глубине 3100 м, наблюдатель указал, что, в отличие от другого обследованного нами района Срединно-Атлантического хребта — гидротермального поля ТАГ (26° с. ш.), — здесь почти нет базальтов, дно слагают ультраосновные магматические породы серпентиниты. Мы отметили бедность фауны — в иллюминаторе лишь изредка проскальзывали макрурусы, актинии, губки. Наши ожидания новых находок гидротермальных источников, основанные на предварительных выводах коллег из ВНИИОкеангеологии, начали оправдываться на глубине 3020 м, где крутизна склона заметно возросла: появился струящийся темный дым, свойственный «черным курильщикам», но не восходящий, как это бывает обычно, а... стелящийся по дну. Из небольшой воронки на дне океана валил мощный поток черной взвеси — ее уносило течение, направленное поперек склона. Как это объяснить? Горячий флюид, выходящий из жерла сульфидной трубы «курильщика» легче холодной придонной воды, и, казалось бы, должен подниматься вертикально вверх. Наш наблюдатель Богданов предположил, что мы встретили «тяжелый флюид», насыщенный веществами, которые, несмотря на высокую температуру, заставляют его «лечь на дно». Юрий Александрович основывался на том, что предварительно отобранные коллегами образцы представляли собой ультраосновные породы, а значит, вероятно, поток поднимается из глубинных слоев океанической коры. И последующий анализ пробы, взятой непосредственно из источника «дыма», подтвердил высказанную гипотезу: плотность флюида оказалась выше, чем придонной воды.

Благодаря визуальным наблюдениям был впервые описан новый тип гидротермального источника, формирующегося в верхней части мантии, откуда флюид мигрирует через всю толщу океанической коры к поверхности дна. Кроме того, оказалось, что «курильщик» располагается не в осевой части срединно-океанического хребта, а на краевом уступе рифта. В том памятном погружении на поле Логачёва мы встретили еще два таких гидротермальных источника со стелящимся по дну «дымом». Однако расцвета глубоководной жизни, свойственной районам с активными гидротермальными процессами, не было и в помине, пока на глубине 2940 м аппарат не вышел на склон с «классической» трехметровой гидротермальной трубой, из которой столб черного дыма устремлялся ввысь. Постройку «курильщика» облепили крупные (до 10–12 см) мидии; здесь были десятки креветок и разреженные поселения голубых актиний размером 3–4 см. Но наибольшее впечатление произвело открывшееся из иллюминатора обширное «снежное поле» из бактериальных матов — поселений бактерий в местах высачивания метана из глубинных горизонтов.

Лабораторный анализ отобранных образцов геологических пород и глубоководных животных позволил пролить свет на природу явлений, определить источник жизнедеятельности биоты — хемосинтез. Конечно, было бы разумно организовать мониторинг развития обнаруженных гидротерм. Но для этого необходимы донные станции с измерительными приборами и ловушками для сбора взвешенного в воде осадочного материала, с видео- или фотосъемкой, фиксирующей состояние биологического сообщества. И нужно периодически повторять погружения ГОА для визуальных наблюдений. В конце 1990-х годов, да и в наши дни отечественные ученые могут лишь мечтать о таких исследованиях.

Явление глубинной гидротермальной циркуляции, открытое во время погружения 1995 г., Богданов блестяще описал в наших совместных книгах и статьях [5]. Эти работы получили международное признание. Впоследствии я рассказал об уникальных наблюдениях в журнале Deep Sea Research [6]. Зарубежные коллеги называют поле Логачёва русской точкой, принимая во внимание то, что этот район найден российскими учеными и открытия сделаны именно во время погружений «Миров». За последние два десятилетия специалисты обнаружили еще несколько гидротермальных полей на прилегающих территориях.

В поисках газогидратов на дне Норвежского моря

Первыми обитаемыми аппаратами на грязевом вулкане Хаакон Мосби в Норвежском море были «Миры» во время международной экспедиции 1998 г. на НИС «Академик Мстислав Келдыш», состоявшейся с участием специалистов Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН, ВНИИОкеангеологии, Бергенского университета (Норвегия), Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне (США), Центра Гельмгольца по исследованию океана в Киле (Германия).

Хаакон Мосби находится далеко за полярным кругом, на 72° с. ш., он был обнаружен в 1995 г. норвежско-американской экспедицией и назван в честь судна-первооткрывателя. Спустя год российские ученые на НИС «Профессор Логачёв» исследовали этот район с помощью буксируемого аппарата, который был оборудован локатором бокового обзора и фотокамерой, а также пробоотборниками. Фотографии запечатлели почти сплошной белый покров на обширных участках дна, причем в пробах осадков оказались метановые газогидраты. И многие участники экспедиции предполагали, что эти вещества выходят здесь на поверхность, формируя облик донного ландшафта. Однако светлый фон могли придавать и бактериальные маты. На этот и многие другие вопросы должна была ответить новая международная экспедиция с участием ГОА «Мир», с прямыми наблюдениями через иллюминаторы, отбором образцов и сопутствующими измерениями. Кроме того, использовали буксируемый аппарат ВНИИОкеангеологии и традиционные технические средства исследования с борта судна. В первое погружение отправились наблюдатель Богданов, бортинженер Войтов и я.

Богданов был самым опытным подводным наблюдателем в России, а возможно, и в мире. Его первые погружения состоялись в Красном море на аппарате «Пайсис XI» в 1980 г. Мы много раз работали вместе на ГОА «Мир». На этот раз я посадил аппарат на грунт в 1 км от центра вулкана Хаакон Мосби на глубине 1300 м, и мы начали движение к объекту исследования с его западной окраины, вооружившись картой, построенной по данным специалистов НИС «Профессор Логачёв».

Высота внешнего вала, опоясывающего вулкан, составила около 6–7 м. На внутреннем склоне мы отобрали образцы донных беспозвоночных животных погонофор, похожих на желтые трубочки (или стебельки скошенной соломы) диаметром 3–4 мм и высотой 4–5 см. Эти обитатели океана присутствовали на протяжении всего пути следования от внешнего вала к центру вулкана. Примечательно, что до нашего погружения на Хаакон Мосби ученые не знали, как выглядят поселения погонофор — мы первыми зафиксировали их на фотопленке, хотя по образцам, вынутым при тралении, советский зоолог Артемий Васильевич Иванов уже подробно описал их в 1952 г.

На пути нам встречались покрытые желтовато-коричневым осадком холмы высотой до 2–3 м. На их склонах мы увидели конические, цилиндрические и похожие на кораллы образования размером до 30 см — карбонатные постройки. А на ровной поверхности дна между холмами были заметны отдельные белые пятна. Газогидраты или бактериальные маты? При отборе проб мы убедились, что вещество пятен мягкое, как пух, и уже не сомневались в том, что имеем дело с поселениями бактерий. Анализ подтвердил это.

ГОА «Мир-1» миновал еще один вал, опоясывающий центр вулкана. На внутреннем склоне этого метрового «барьера» желтый цвет донного осадка сменился черным. А за валом нашим глазам открылось совершенно новое зрелище: кальдера — внутренняя часть вулкана, покрытая бактериальными матами белых и серых оттенков. Детальное обследование этой территории на глубине 1300 м с визуальными наблюдениями, фото- и видеосъемкой, одновременной записью данных с гидрофизических и гидрохимических датчиков и с отбором проб позволило получить интереснейшие данные. Когда мы вышли из южной части кальдеры, рябой рисунок бактериальных матов постепенно сменился сплошным белым покрывалом толщиной 10–12 мм. При движении ГОА дальше на север «снежное» полотно исчезло и вместо него появилась сплошная черная масса — восстановленные газонасыщенные отложения (остаточная концентрация метана в них достигает 300 мл/л). Это — центр вулкана, или «зона котлов», где тепловой поток достигает максимальных величин.

В общей сложности мы сделали в районе вулкана Хаакон Мосби четыре парных погружения ГОА «Мир» и заглянули во все уголки этого удивительного места на дне Норвежского моря. Но прямых доказательств выхода газогидрата на поверхности дна так и не нашли. Между тем отбор проб донных осадков с борта судна, проведенный в перерывах между погружениями, показал присутствие газогидратов на отметке, соответствующей глубине в несколько десятков сантиметров под поверхностью дна. Наши иностранные коллеги были уверены, что в центре или в какой-либо другой точке кальдеры находится метановый гейзер, и мы попытались найти его с помощью судового эхолота. Записи как будто подтвердили присутствие объекта, похожего на гейзер, поэтому следующее многочасовое погружение было полностью посвящено его поискам. К сожалению, безрезультатным.

Логика глубоководных открытий

Что делало визуальные наблюдения через иллюминаторы «Миров» столь значимыми? Дело в том, что во всех погружениях участвовали высокопрофессиональные специалисты. Система сбора данных работала в течение всего времени пребывания аппаратов под водой. Сведения, полученные в «полевых» условиях и подкрепленные измерениями гидрофизических и гидрохимических датчиков, российские ученые-океанологи обогащали результатами лабораторных анализов, добиваясь достоверных научных данных. И сегодня можно смело утверждать: наблюдения из иллюминаторов ГОА сыграли основную роль в логической цепи открытий. «Миры» подтвердили свою высокую эффективность [7]. Убежден, что найти равноценную замену методике исследований глубин океана с помощью обитаемых аппаратов невозможно.

В 1983 г. великий французский исследователь Мирового океана Жак Ив Кусто на вопрос о преимуществах управляемых аппаратов и роботов перед обитаемыми аппаратами возразил: «Никогда ни один робот не заменит человека под водой, ибо наиболее точный оптический прибор — это человеческий глаз и наиболее совершенный компьютер — человеческий мозг». Эта позиция основана на колоссальном опыте и профессионализме, и я ее полностью разделяю.

Подписка: https://vk.com/thefutureearthisbeautiful

Источник: m.vk.com