Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор изученности вопроса 14
1.1. Донные осадки и взвешенный материал 14
1.2. Морфоскульптурный рельеф дна 19
1.3. Элементно-изотопные и молекулярные исследования органического углерода донных осадков и взвеси 20
Глава 2. Фактический материал, методология и методы работ 23
2.1. Фактический материал 23
2.2. Методология и методы исследований 24
2.2.1. Технические средства пробоотбора донных осадков, зондирования водной толщи и поверхности дна 25
2.2.2. Аналитические исследования и обработка результатов 28
Глава 3. Бассейны седиментации и их водосборы 31
3.1. Моря Восточной Арктики 31
3.1.1. Физико-географическое положение 31
3.1.2. Геолого-тектоническое строение и рельеф 33
3.1.3. Позднечетвертичная история развития шельфа 39
3.1.4. Субмаринная криолитозона 48
3.1.5. Гидрометеорологические условия 52
Атмосферная циркуляция 52
Пресноводный баланс 55
Ледовый режим 56
Циркуляция вод и термохалинная структура 60 Волнение и обусловленные им потоки энергии
Периодические и непериодические колебания уровня 74
3.1.6. Элементы биологической структуры 76
3.2. Водосборный бассейн морей Восточной Арктики 79
3.2.1. Физико-географическое положение 79
3.2.2. Геолого-тектоническое строение и рельеф 80
3.2.3. Материковая криолитозона 85
3.2.4. Бюджет осадочного материала, поступившего в бассейн седиментации
3.2.4.1. Подготовка и мобилизация вещества 88
3.2.4.2. Оценка вклада различных источников осадочного материала 89
Выводы к главе 94
Глава 4. Масштабы мобилизации и трансформации терри-генного материала в градиентных пограничных системах береговой зоны 96
4.1. Факторы, контролирующие изменчивость состава взвеси в системе
"река Лена - море Лаптевых"
4.1.1. Геологические и гидролого-морфологические особенности области питания 98
4.1.2. Пространственная изменчивость характеристик взвешенного стока в системе «река Лена – море Лаптевых» 99
Содержание взвеси и ее размерный состав 99
Взвешенное органическое вещество 110
Трансформация состава взвешенного материала в процессе миграции к приемному бассейну стока 112
Коротокопериодная, межгодовая и сезонная изменчивость состава взвеси 118
Идентификация возможных источников органического вещества 119
4.1.3. Распределение осадочного материала вдоль морского края дельты 124
Гидролого-морфологическая характеристика устьевой области 124
Содержание взвеси 127
Взвешенное органическое вещество и его возможный генезис 134
Результирующий литоморфогенетический эффект функционирования системы «река-море» 137
4.1.4. Разгрузка взвесенесущего потока перед фронтом кромки разрушаю щегося припайного льда 143
4.2. Трансформация состава осадочного материала в системе «суша шельф»: на примере береговой зоны острова Муостах 149
4.2.1. Масштабы изменения береговой зоны под воздействием экзогенных процессов 151
Ключевые палеогеографические события 151
Морфометрические показатели происшедших изменений 151
Состояние береговой зоны в начале XXI века 152
4.2.2. Подготовка и трансформация вещества в области сноса
Типовой разрез отложений ледового комплекса
Доминирующие береговые процессы
Факторы, контролирующие мобилизацию терригенного материала
Объемы сноса продуктов термоабразии в море 159
4.2.3. Идентификационный сигнал ледового комплекса в области сноса
Cтруктурно-вещественная характеристика отложений ледового комплекса 159
Органическое вещество 163
Элементный и изотопный состав 163
Молекулярные углеводородные маркеры 165
Результирующий сигнал органического вещества из различных источников терригенного материала
Выводы к главе 170
Глава 5. Современный литоморфогенез на восточно арктическом шельфе 172
5.1. Типовые обстановки современного литоморфогенеза: на примере некоторых локальных участков 173
5.1.1. Локальный участок взаимодействия транзитно-аккумулятивных систем «суша-шельф» и «река-море»: на примере подводной термоабразионной террасы в области влияния стока р. Лены
Термохалинная структура водной толщи 174
Литодинамическая обстановка и распределение взвеси 176
Донные осадки 179
Элементно-изотопный состав органического вещества донных
осадков и взвеси 182
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического вещества донных осадков и взвеси
5.1.2. Транзитно-аккумулятивные системы «суша-шельф»: на примере некоторых крупнопорядковых заливов 188
Губа Буор-Хая 188
Термохалинная структура водной толщи 189
Литодинамическая обстановка и распределение взвеси
Донные осадки 192
Элементно-изотопный состав органического вещества донных осадков и взвеси 194
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического вещества донных осадков и взвеси 196
Чаунская губа 196
Термохалинная структура водной толщи 197
Литодинамическая обстановка и распределение взвеси 199
Донные осадки 200
Элементно-изотопный состав органического вещества донных
осадков и взвеси 200
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического
вещества донных осадков и взвеси 201
5.1.3. Транзитные системы переноса вещества: на примере проливов 203
Проливы Дмитрия Лаптева и Санникова 203
Термохалинная структура водной толщи 203
Литодинамическая обстановка и распределение взвеси 210
Донные осадки 204
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического
вещества донных осадков и взвеси 212
Пролив Лонга 212
Термохалинная структура водной толщи и распределение взвеси 214
Донные осадки 214
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического вещества донных осадков и взвеси
5.1.4. Реликты субаэрального криогенного рельефа 216
Подводные возвышенности 218
Семеновское мелководье («Земля Васема») 218
Рельеф дна 219
Термохалинная структура водной толщи 221
Литодинамическая обстановка и распределение взвеси Донные осадки
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического вещества донных осадков и взвеси
Приленское мелководье 225
Рельеф дна 226
Термохалинная структура водной толщи 227
Литодинамическая обстановка, структура распределения
взвеси и донных осадков 228
Результирующий элементно-изотопный сигнал 230
Банка Диомида 231
Рельеф дна и литодинамическая обстановка
Придонное температурное поле 236
Результирующий элементно-изотопный сигнал органического
вещества донных осадков и взвеси 237
Возможные причины устойчивости возвышенных останцов субаэрального криогенного рельефа к дальнейшему разрушению 237
Полигональные формы микрорельефа 241
5.2. Современное осадкообразование на восточно-арктическом шельфе 251
5.2.1. Термохалинные, литодинамические условия и распределение взвеси 251
Море Лаптевых 251
Восточно-Сибирское море 252
Чукотское море 262
5.2.2. Донные осадки 267
Море Лаптевых 267
Восточно-Сибирское море 274
Темпы седиментации 284
Термический режим системы «придонная вода-донные осадки» 286
Чукотское море 288
5.2.3. Элементно-изотопный состав органического вещества взвеси, донных осадков 289
Море Лаптевых 289
Восточно-Сибирское море 291
Оценка вклада различных источников Сорг в состав взвеси и донных осадков 299
Чукотское море 308
5.2.4. Результирующая мезомасштабная пространственная структура распределения взвеси, донных осадков и элементно-изотопного состава их органического углерода 314
Выводы к главе 332
Заключение 334
Список литературы
- Элементно-изотопные и молекулярные исследования органического углерода донных осадков и взвеси
- Технические средства пробоотбора донных осадков, зондирования водной толщи и поверхности дна
- Позднечетвертичная история развития шельфа
- Пространственная изменчивость характеристик взвешенного стока в системе «река Лена – море Лаптевых»
Введение к работе
Актуальность. Моря Восточной Арктики (МВА) - Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское характеризуются рядом специфических особенностей, обусловливающих интерес к всестороннему изучению их природы. К самым важным из них относятся наиболее широкий и мелководный в Мировом океане шельф, а также существование прибрежно-шельфовой и океанической криолитозоны, представленной позднечетвертичными и новообразованными многолетнемерзлыми отложениями (ММП) и осадками, охлажденными ниже 0о (Фартышев, 1993; Жигарев, 1993; Григорьев, 1966; Романовский и др., 2001; Романовский, Хуббертен, 2001; Гаврилов и др., 2002; 2006; Григорьев, 2008; и др.). Наличие реликтовой мерзлоты является определяющим в отношении ее негативной реакции на любые климатические изменения. Формирование над акваториями МВА в начале 21 века температурная аномалия подразумевает активизацию темпов деградации криолитозоны, сокращение площади и объемов континентального оледенения, ледового покрова (Григорьев, 2008; IPCC, 2013; Weller, 1997). Разрушение ММП сопровождается вовлечением в биогеохимический цикл огромного пула древнего органического вещества. Только в верхнем 100 м слое многолетней мерзлоты содержится как минимум ~10 000 Гт реликтового органического углерода (Semiletov, 1999; Semiletov et al., 2007; 2011). Все вышеперечисленное позволяет рассматривать шельф МВА в качестве приоритетного и идеального мезомасштабного полигона для изучения процессов осадконакопления и рельефообразования (в совокупности определяющих облик современного шельфа и понятие «литоморфогенез»), а также для выявления особенностей трансформации биогеохимического сигнала органического углерода в системе «суша-шельф».
Позднечетвертичные трансгрессивно-регрессивные колебания уровня моря сопровождались возникновением природных кризисных или даже катастрофических ситуаций. Откликом на них были не только перестройка среды осадконакопления и морфоскульптурных форм рельефа, но и деградация или аградация многолетней мерзлоты, изменение гидрологического режима вод и их биологической структуры. Поэтому, выяснение особенностей литоморфогенеза на восточно-арктическом перегляциальном шельфе - ключ к пониманию многих, нередко феноменальных природных процессов. Некоторые аспекты литоморфогенеза до сих пор остаются дискуссионными, требуют неоднозначного решения, междисциплинарного подхода и являются приоритетными и актуальными.
Мотивацией для получения новых знаний о природе МВА также являются интенсификация геолого-разведочных работ на стратегические сырьевые ресурсы, разработка оборонительной доктрины, перспективы трансформации Северного морского пути в круглогодичную и безопасную с позиций судоходства международную трассу. Незнание, недоучет или игнорирование характерных особенностей и закономерностей перегляциального восточно-арктического литоморфогенеза может привести к значительно более серьезным последствиям хозяйственной деятельности на шельфе по сравнению с прилегающей континентальной криолитозоной. Все это было учтено при разработке концепции ФЦП «Мировой океан», принятой Правительством Российской Федерации в июне 2015 г. на период с 2016 по 2031 гг.
Степень разработанности проблемы. Процессы осадко- и рельефообразования на восточно-арктическом шельфе России до настоящего времени остаются слабо изученными, прежде всего из-за его огромных размеров (~1970 тыс. км2), ширины (до 810 км) и высокой ледовитости акватории. В этом плане в бассейне Северного Ледовитого океана (СЛО)
восточно-арктические моря рассматриваются в качестве уникальной природной лаборатории для осуществления обширного комплекса научных исследований. Планомерное изучение процессов литоморфогенеза началось в лаборатории арктических исследований ТОИ ДВО РАН с 1999 г. и продолжается до настоящего времени. К настоящему времени методы получения исходных данных и аналитических лабораторных исследований достигли мирового уровня.
Научная ориентированность исследований определялась задачами национальных проектов, финансируемых Правительством Российской Федерации (грант 14 Z50.31.0012), Российским научным фондом (грант 15-17-20032), Российским фондом фундаментальных исследований (около 20 грантов), Программами фундаментальных исследований Президиума ДВО РАН (2003-2005 гг.) и Президиума РАН № 13 (направление 7). Крупнейшие экспедиции выполнялись на основе сотрудничества с Международным Арктическим научным центром университета Аляска Фэрбанкс, США (2003-2015 гг.) (МАНЦ) и Стокгольмским университетом (2004-2015 гг.). Получены уникальные результаты, представленные в обширном ряде публикаций автора в рецензируемых российских, зарубежных журналах и коллективных монографиях.
Цель и задачи исследований – выявление особенностей процессов осадко- и рельефообразования в системах «река-море» и «суша-шельф» на перегляциальном восточно-арктическом шельфе. Для достижения поставленной цели сформулированы задачи: (1) оценить масштабы мобилизации и трансформации терригенного материала в градиентных пограничных системах береговой зоны «река-море»; (2) определить масштабы трансформации состава ледового комплекса в береговой зоне; (3) исследовать особенности транспорта, трансформации и седиментации вещества в транзитно-аккумулятивных системах «суша-шельф»; (4) выявить состояние некоторых форм реликтового субаэрального криогенного микрорельефа и оценить роль факторов, влияющих на его изменение; (5) установить особенности пространственной мезомасштабной структуры распределения донных осадков, взвеси и среднемноголетнего элементно-изотопного состава их органического углерода (Сорг) как трассера переноса вещества.
Научная новизна работы заключается в систематизации и существенном развитии представлений о процессах осадко- и рельефообразования в обстановке морского полярного литогенеза перегляциального восточно-арктического подтипа. Результаты междисциплинарных исследований на 1384 станциях позволили впервые достоверно оценить масштабы мобилизации и трансформации терригенного материала в градиентных пограничных системах береговой зоны «река-море» с ледовым комплексом реликтовых отложений, исследовать характер поведения вещества в транзитно-аккумулятивных системах «суша-шельф», выявить закономерности пространственной мезомасштабной структуры распределения донных осадков, взвеси и среднемноголетнего элементно-изотопного состава их Сорг. Впервые на основе результатов натурных инструментальных наблюдений визуализировано и оценено современное состояние некоторых форм реликтового субаэрального криогенного рельефа, выявлены главные факторы, контролирующие их изменения в современной природной обстановке.
Защищаемые положения.
(1). Современный литогенез на восточно-арктическом шельфе характеризуется преимущественно терригенной направленностью, предопределенной наличием мощных региональных источников тонкозернистого материала – взвешенной фазы речного стока и ледового комплекса побережий. В результате масштабных потерь терригенного материала
в дельтовых устьевых областях лидерство перераспределяется в пользу продуктов береговой эрозии.
(2). Латеральное изменение пространственной литологической структуры донных осадков согласовано со ступенчатым характером послеледниковой трансгрессии уровня моря.
(3). Формирование полей песчано-алевритовых осадков, азональных области стабильной подледной седиментации на внешнем шельфе моря Лаптевых, обусловлено воздействием одного или совокупности эрозионных агентов: разгрузкой подземных надмерзлотных вод, разгрузкой газовых флюидов, экзарационной деятельностью палеоторосов в древней береговой зоне.
(4). Характер мезомасштабной изменчивости среднемноголетнего элементно-изотопного и молекулярного сигнала Сорг взвеси и донных осадков отражает специфику современного восточно-арктического типа полярного литогенеза.
(5). Выявлены особенности голоценовой эволюции некоторых форм реликтового субаэрального криогенного рельефа. Установлена стагнация классического разрушения трансформированного ледового комплекса подводных возвышенностей. Реликтовый полигонально-валиковый рельеф на внутреннем шельфе в течение периода прибрежно-морского литогенеза претерпел незначительные внешние деформации.
Достоверность и обоснованность результатов. Данные показатели определяются современным уровнем используемого аналитического оборудования и методов анализа, выбором репрезентативных алгоритмов расчета (Guo et al., 2004; Semiletov et al., 2011, 2013; Vonk et al., 2010; 2011; 2014; Gustafsson et al., 2011; Sanchez-Garcia et al., 2011; 2014; Karlsson et al., 2011; 2015; 2015a; Feng et al., 2013; Tesi et al., 2014; Shakhova et al., 2015; Sparkes et al., 2015; и др.). Обоснованность выводов базируется на результатах графической и статистической обработки массива многолетних данных, выполненных с использованием общепринятых в мировой практике современных пакетов аналитических программ Surfer 8.0; Excel, ODV и др. Мировой уровень работы подтверждается использованием передовых методов изучения осадочного вещества, реализованных в лабораториях: арктических исследований (ТОИ ДВО РАН), исследования углерода в Арктике (Институт природных ресурсов, Национальный исследовательский центр «Томский Политехнический университет»), химии океана (ИО РАН), МАНЦ (США), Института естественных наук и аналитической химии Стокгольмского университета, Океанографического института Вудс Холл (США), Швейцарского федерального института технологий. Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена 46 публикациями, в том числе 23 - в цитируемых Web of Science ведущих изданиях мирового уровня («Nature», «Organic Geochemistry», «Global Biogeochemical Cycle», «Marine Chemistry», «Biogeosciences», «Geophysical Research Letters», «Journal of Geophysical Research», «Environmental Research Letters», «Geochimica et Cosmochimica Acta: Oceans», «Permafrost and Periglacial Processes», «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», «Philosophical Transactions of the Royal Society A») и 23 статьями в российских журналах «Доклады академии наук», «Океанология», «Геохимия», «Криосфера Земли», «Тихоокеанская геология», «Исследование Земли из Космоса». Представлены доклады на десятках международных (включая Сессии Европейского геофизического союза EGU и Американского геофизического союза AGU) и российских симпозиумах, конференциях и школах (в том числе Международных научных конференциях по морской геологии 2001-2103 гг., Международных конференциях
«Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере» и «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли», 2001 и 2005 гг.).
Теоретическая и практическая ценность работы. Познание особенностей, выявление трендов изменения условий осадко- и рельефообразования в МВА - ключ к пониманию многих, нередко феноменальных природных процессов. Некоторые аспекты этих процессов до сих пор остаются дискуссионными, требуют неоднозначного решения и междисциплинарного подхода. Крайне важно изучение механизмов контролирующих темпы деградации затопленной плейстоценовой суши с ледовым комплексом отложений на различных участках восточно-сибирского шельфа. Задача выяснения реальных объемов экспорта терригенного вещества в море из дельт восточно-арктических рек выдвинута в ряд приоритетных во многих научных программах (; featuredpro-ject/index). Интенсификация геолого-разведочных работ, разработка оборонительной доктрины России в Арктике и возможности круглогодичной эксплуатации Севморпути также придают значимость и актуальность данному исследованию.
Личный вклад автора. При подготовке диссертации использованы данные, полученные в ходе выполнения перечисленных ниже национальных проектов и программ, в которых автор являлся руководителем седиментологического направления. В течение 1999-2015 гг. лабораторией арктических исследований ТОИ ДВО РАН были проведены 30 междисциплинарных экспедиций, в 28 их которых автор принимал участие в качестве организатора и ведущего исполнителя. Автор занимался отбором и первичной обработкой донных осадков, выделением взвешенного материала, литодинамическими и геолого-геоморфологическими исследованиями. В лабораториях ТОИ ДВО РАН, Национального исследовательского Томского Политехнического университета, МАНЦ и Стокгольмского университета при участии автора анализировались литологическая и вещественная структура осадков и взвеси, состав их Сорг, выполнялась обработка полученных данных, интерпретировались результаты, подготавливались публикации. Защищаемые положения представлены в 46 рецензируемых статьях (в 14 из которых – первый автор) и в 21 публикации в коллективных монографиях (в 9 из них – первый автор).
Апробация работы. Обсуждаемые результаты многолетних исследований кроме статей в рецензируемых российских и иностранных изданиях, представлены в материалах многочисленных национальных и международных конференций. Важнейшими из них являются: Сессии Европейского Геофизического союза (EGU, Австрия, 2008-2012 гг.), Сессии Американского Геофизического союза (AGU, США, 2010-2015 гг.), XIV-XX Международные школы морской геологии (Россия, 2001-2013 гг.), Международные конференции «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере» и «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» (Россия, 2001 и 2005 гг.), ACIA Workshop on Russian climate research and monitoring in the Arctic (Russia, 2001), International Conference on the Arctic and North Pacific “Bridges of Science between North America and Russian Far East: Past, Present and Future” (Russia, 2004), Международный симпозиум по Охотскому морю и морскому льду (Япония, 2008-2010 гг.); XXIV Международная конференция по органической геохимии (IMOG, Germany, 2009); Международная научная конференция «Морские исследования полярных областей Земли в Международном Полярном году 2007/08» (Россия, 2010); IX Совещание рабочей группы по российско-немецкому сотрудничеству в системе моря Лаптевых (Россия, 2009 г.), Международная конференция «Наука будущего» (Россия, 2014 г.). Перечень опубликованных на всех конференциях тезисов докладов включает 67 наименований.
Структура и объем работы. Диссертация включает 387 страниц и состоит из «Введения», пяти глав (основные 4 и 5 главы составляют 71% объема без учета списка литературы), «Заключения» и «Списка литературы»(581 наименование на 50 стр.). Количество иллюстраций – 193, таблиц - 54.
Элементно-изотопные и молекулярные исследования органического углерода донных осадков и взвеси
Выявление особенностей поверхностного рельефа дна восточно-арктического шельфа главным образом базируется на результатах анализа навигационных карт. В силу указанных выше объективных обстоятельств, и прежде всего неблагоприятного ледового режима, подробными гидрографическими исследованиями был охвачен преимущественно внутренний и средний шельф. При этом преследовалась главная цель – безопасность трассы Северного морского пути. Уже севернее этой транспортной магистрали надежная информация по глубинам отсутствует до сих пор, как например, для весьма обширного района на востоке Восточно-Сибирского моря, не говоря уже о материковом склоне и котловине Северного Ледовитого океана.
При отсутствии специальных геоморфологических исследований дополнительным источником информации являются результаты поисковых геолого-геофизических работ, планомерное проведение которых началось только в начале 80-х годов прошлого столетия ПГО «Севморгеология» (Геология и полезные ископаемые…, 2002; Патык-Кара, Иванова, 2003). Существенный вклад в изучение морфоскульптурного рельефа дна МВА внесли А.П. Валпетер (Валпетер, 1978; Валпетер и др., 1984), А.Н. Ласточкин (Ласточкин, Федоров, 1978; Ласточкин, Сафронов, 1984), Б.И. Ким и И.В. Рейнин (1977; 1988), Ю.П. Семенов и Е.П. Шкатов (Семенов, 1964; Семенов, Шкатов, 1971), Н.Г. Патык-Кара с коллегами (Патык-Кара и др., 1980; Патык-Кара, Иванова, 2003), В.Н. Коротаев (1984; 1992), Б.А. Попов и В.А. Совершаев (Попов, Совершаев, 1982; Попов и др., 1983;). Л.А. Жиндарев (Жиндарев, 1974), А.С Ионин, В.С. Медведев, Ю.А. Павлидис и С.Л. Никифоров (Ионин и др., 1987; Никифоров, 1985; 1985а; Павлидис, 1982; 2000; Павлидис и др., 1981; 1998; 2007), П.А. Каплин (Каплин, 1971; Каплин и др., 1971; 1998; 1999), Е.В. Клюев (Клюев, 1965; 1967). С 1984 г впервые в практике геоморфологических исследований начал применяться локатор бокового обзора. Такие работы выполнялись морской экспедицией Янской ГРЗ ПГО «Якутскгеология» с 1984 по 1988 гг. в Колымском заливе (Разумов, 1996; 1996а; 2000).
Использование гидролокации бокового обзора в экспедициях ТОИ ДВО РАН позволило получить уникальную информацию о внешнем облике морфоскульптурного рельефа, а наряду с сейсмоакустическими методами – и оценить его внутреннее строение (Сергиенко и др., 2012; Лобковский и др., 2013; 2015; Дударев и др., 2014; 2015).
Элементно-изотопные и молекулярные исследования органического углерода донных осадков и взвеси На рубеже тысячелетий появились не только новые геофизические методы и аппаратура, но и уникальная аналитическая техника для биогеохимических исследований, позволившая перейти на новый уровень познания природы органического вещества донных осадков и взвеси.
Наиболее важные результаты по элементной, изотопной и молекулярной геохимии Сорг этих объектов приведены в фундаментальных монографиях «Биогеохимия органического вещества арктических морей» (Биогеохимия…, 1982), «Цикл углерода в арктических морях» (Романкевич, Ветров, 2001), «The organic carbon cycle in the Arctic ocean» (Stein, Macdonald, 2004), «Донные осадки арктических морей России» (Кошелева, Яшин, 1999), а также в статьях В.И. Петровой (Петрова и др., 2001; Petrova et al., 2004), А.А. Ветрова (Ветров и др., 2008), А.Ю. Лейн (Лейн и др., 2007; 2013), A. Naidu (Naidu et al., 1993; 2000); B. Khim (Khim et al., 2003); R. Stein (Stein, Fahl., 2000), J. Walsh et al., 1989; L. Cooper (Cooper et al., 2005; 2009), И.П. Семилетова и А.Н. Чаркина с коллегами, включая и автора (Чаркин, 2012; Charkin et al., 2011; Semiletov et al., 2012).
К настоящему времени опубликован ряд статей, посвященных изучению Сорг на уровне молекулярных маркеров (в большинстве из них с участием автора диссертации). Такие исследования были выполнены для взвеси крупнейших восточно-сибирских рек Лены, Индигирки и Колымы, отложений берегового ледового комплекса острова Муостах вблизи дельты р. Лены и мыса Буор-Хая, для взвеси и донных осадков палеодолины р. Колымы, пролива Дмитрия Лаптева и губы Буор-Хая. Отметим работы T. Tesi (Tesi et al., 2014), X. Feng (Feng et al., 2013; 2015), van Dongen (van Dongen et al., 2008); J. Vonk (Vonk et al., 2010; 2010a; 2012); L. Sanchez-Garcia (Snchez-Garca et al., 2011; 2011a), E. Karlsson (Karlsson et al., 2011; 2015; 2015a), M. Winterfeld (Winterfeld et al; 2014; 2015), J. Lobbes (Lobbes et al., 2000). Опубликованные схемы распределения Сорг и его 13С представлены на соответствующих рисунках (Рисунок 2.2; 2.3).
Таким образом, к настоящему времени имеется ряд схем, позволяющих охарактеризовать особенности осадконакопления на отдельных участках восточно-арктического шельфа. Общие черты этого процесса на представленных схемах (Рисунок 1.1) в целом согласуются, чего не скажешь о внешнем шельфе, где выделяются как поля тонкозернистых осадков, так и разнообразные литологические типы.
Наиболее изучен элементно-изотопный состав донных осадков и взвеси в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском, в отличие от российского сектора Чукотского моря, для которого имеются данные всего по десятку станций. До сих пор весьма мало данных по молекулярному составу Сорг. Весьма неоднородные по охваченности геолого-биогеохимическими исследованиями акватории МВА затрудняют выявление общих трендов распределения осадков, взвеси и оценки вклада различных источников Сорг в эти объекты. Поэтому, возникает необходимость постановки более подробных исследований, которые позволят выявить мезомасштабные особенности и закономерности пространственной структуры распределения донных осадков и взвеси, пространственной структуры изменчивости элементно-изотопного состава Сорг донных осадков и взвеси, природы Сорг в осадках и взвеси на различных участках восточно-арктического шельфа.
Технические средства пробоотбора донных осадков, зондирования водной толщи и поверхности дна
Сегмент Чукотского п-ова (Чукотское море) представлен складчатыми структурами мезозойского возраста, сформированными на геологических образованиях протерозоя (преимущественно гнейсах). В пределах Уэленского тектонического поднятия на них несогласно залегают карбонатные породы среднего и верхнего ордовика. Выше в разрезе появляются терригенные осадочные породы силура. Для Восточно-Чукотского горного массива отмечены небольшие площади отложений каменноугольного возраста, перекрытые кварцево-известковистыми песчаниками древние коралловые известняки. Терригенные породы перми (углисто-глинистые сланцы) проявляются только вблизи мыса Шмидта. В Чукотской складчатой системе распространены меловые вулканиты Восточно-Чукотского вулканического пояса. На побережье обнажаются магматические породы мела (массивы гранодиоритов на мысах Шмидта, Сердце-Камень, Онман, Нетан). Щелочные породы типа нефелиновых сиенитов дежневской интрузии наряду с гранодиоритами, встречаются в Уэкальском поднятии. Остров Врангеля принадлежит к положительной морфоструктуре Врангелевско-Геральдской гряды – северной границы Южно-Чукотского прогиба (Геологическое строение., 1984). Предполагается, что остров относится к активизированной в мезозое среднепалеозойской складчатой системе (Хаин, 1979). Прибрежные равнины острова перекрыты эллювиально-деллювиальными шлейфами и четвертичными аллювиальными отложениями. В береговых клифах на северо-западе острова вскрываются древние нижнекаменноугольные терригенные породы, объединенные в свиту берри. Верхняя часть ее разреза завершается пачкой темно-серых аркозовых песчаников с прослоями известковых алевритово-глинистых серых, темно-серых и черных углистых сланцев, желтовато-серых известняков и доломитов. На побережье пролива Лонга обнажаются верхнетриасовые отложения, представленные базальным слоем темно-серых полимиктовых гравелитов, переслаивающихся с разнозернистыми песчаниками и глинистыми сланцами (Геология СССР, 1970). К побережью п-ова Аляски подступают толщи четвертичных отложений. У мыса Лисберн, на хребте Брукса, п-ове Сьюард и в пределах Центрального плато обнажаются палеозойские породы. Севернее хребта Брукса в основании Арктической прибрежной равнины залегает многокилометровая толща осадочных пород мела, перекрытая четвертичными отложениями. На п-ове Сьюард кроме четвертичных аллювиально-морских отложений также встречаются конгломераты, песчаники и сланцы мезозоя, известняки силура, девона и карбона, а также континентальные фации третичных отложений (Ирдли, 1954).
В этом разделе основное внимание будет уделено береговой зоне, являющейся в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском основным источником терригенного материала.
Водосбор МВА характеризуется сплошным распространением ММП мощностью более 300 м (Рисунок 3.6). Запасы подземного льда составляют около 5000 км3, что более чем в 5 раз превышают суммарный объем пресноводного стока из континентальной области питания (Баранов, 1977; Втюрин, 1975). Мощность ММП на побережье моря Лаптевых составляет 400700 м (Пономарев, 1937, Григорьев, 1960, 1966). В верхней части криолитозоны обширных низменностей широко распространены сложно стратифицированные позднеплейстоценовые отложения с включениями мощных повторно-жильных льдов. Обычно они именуются ледовым комплексом (ice complex) или едомными отложениями (Рисунок 3.23) (Ионин и др., 1987; Knebel, Creager, 1973; Dallimore et al., 1996). Существует различные предположения о генезисе ледового комплекса (Попов, 1953; Катасонов, 1972; Лаврушин, 1963; Гравис, 1969; 1986; Алексеев, 1970; Конищев, 1981; Иванов, Катасонова, 1978; Томирдиаро, Черненький, 1987; Куницкий, 1989). В настоящее время исследователи сходятся в мнении о его полигенетическом происхождении. Общая протяженность берегового ледового комплекса (включая и озерно-термокарстовый) в море Лаптевых составляет 2400 км (Григорьев, 2008).
ММП имеют сплошное распространение и на побережье Восточно-Сибирского моря, где их мощности также превышают 300 м (Баранов, 1970). Ледовый комплекс преобладает в западной и центральной частях береговой зоны моря, на Новосибирских островах и в Чаунской губе. Суммарная протяженность льдистых берегов оценивается в 2000 км, из которых около 1000 км приходятся на острова (Рисунок 3.23) (Павлидис и др., 1998). В 600 км сегменте между мысом Святой Нос и устьем р. Индигирки берега с озерно-термокарстовым и ледовым комплексами занимают 180 км, оставшаяся часть представлена морскими аккумулятивными образованиями и только на 6 км у м. Святой Нос отмечаются скальные (Мерзлотно-ландшафтная карта, 1991).
В пределах 670 км сегмента Индигиро-Колымского междуречья около 348 км (52% от протяженности сегмента) занимают аласные берега с голоценовыми озерно термокарстовыми отложениями. На прибрежной суше развит полигональный рельеф с преимущественно 4-угольными полигонами со сторонами от 710 до 25 м. Позднеплейстоценовый ледовый комплекс с высотами клифов до 2040 м и суммарной льдистостью от 30 до 70% представлен на 107 км береговой зоны (Суходровский, 1976; Мерзлотно-ландшафтная карта ..., 1991). В 470 км сегменте между дельтой р. Колымы и о. Айон преобладают галечно-гравийные и песчаные аккумулятивные образования. Почти 375 км (80% от общей протяженности) побережья сложено четвертичными многолетнемерзлыми отложениями, из которых 17% слагают термоабразионные клифы с относительно маломощным позднеплейстоценовым ледовым комплексом субарктического типа с суглинисто-супесчаным заполнителем. В основании комплекса залегают прослои песка и галечников. Высота клифов берегов изменяется от 215 м, реже достигает 2025 м. На 93 км береговой зоны (обычно в районе крупных мысов) обнажаются скальные породы, сложенные триасовыми песчаниками, алевролитами, глинистыми сланцами, габбро и габбро-диабазами и меловыми гранитоидами (Геологическая карта ..., 1982). Коренные береговые уступы развиты и в сегменте между мысами Шелагский и Якан. Часто встречаются мелководные лагуны, отчлененные от моря малольдистыми аккумулятивными галечными и песчано-гравийно-галечные образованиями. В разрезах плейстоценовых отложений отсутствует ледовый комплекс, преобладают морские грубообломочные осадки (Павлидис и др., 1998).
Позднечетвертичная история развития шельфа
При мелководности эрозионно-аккумулятивной террасы и перемешанной вертикальной структуре вод, данные максимумы сохраняются и у дна. Наибольшие значения отражают последствия волновой ресуспензии (Таблица 5.5 в). Теория прибрежной гидродинамики предполагает, что при нагонных ветрах волнение обычно подходит под углом к побережью, а над подводным береговым склоном формируются сильные продольные градиентные потоки (Боуден, 1987; Леонтьев, 2001). Из прямо пропорциональной зависимости между скоростью нагонного течения и ветра (Шулейкин, 1968) следует, что при скорости ветра в сторону берега 20 м/с возможно развитие градиентного течения до 200 см/с. В проливе Дмитрия Лаптева в такие периоды формируются и более мощные потоки (Мустафин, 1961). Рост содержания взвеси у дна к свалу глубин указывает на гравитационный транспорт в составе нефелоидных потоков. Они формируют масштабный максимум с содержанием взвеси до 104-122 мг/л у подножья эрозионно-аккумулятивной террасы, включая и авандельту (рис. 5.6). Содержание взвеси подо льдом повсеместно сокращается на порядки, до 1-3 мг/л (Таблица 5.1; Рисунок 5.7). Как видно, эрозионно-аккумулятивная терраса о. Муостах, на поверхность которой сбрасываются тонкозернистые продукты размыва четвертичных отложений из островной области сноса, представляет собою стабильный источник терригенного материала для массообмена с прилегающими водами шельфа исключительно в безледный период (Рисунок 5.6).
Донные осадки В пределах района работ выделяются три литодинамические обстановки с характерными им группами осадков.
Обстановка эрозионно-аккумулятивной террасы, выработанной в позднеплейстоценовом ледовом комплексе трансгрессивными водами. Представлена тремя группами осадков: (1а) авандельты, (1б) типичной подводной термоабразионной террасы и (1в) образовавшихся в результате смешения этих групп. Осадки авандельты формируются в транзитной эрозионно-аккумулятивной обстановке вне области смешения речных-морских вод, но в зоне подпора и реверсивных движений стоковых вод. Представлены песками различной крупности, выполняющими днища и склоны эрозионных стоковых желобов, поверхности устьевых баров и вдольбереговых валов. В межваловых и межбаровых ложбинах распространены пески алевритовые и более дисперсные осадки (Рисунок 5.8; Таблица 5.2). Осадки типичной подводной термоабразионной террасы (от гравия и гальки с песчаным заполнителем, песка разнозернистого и мелкозернистого до алевритов различной крупности) образуются в эрозионно-аккумулятивной эрозионной обстановке. Развитие – до свала глубин террасы к подножью (до 6-7 м). Смешанные осадки по литологическому составу практически не различимы, поэтому выделяются по значениям биогеохимических маркеров входящего в их состав органического вещества.
Типы осадков: 1 – гравий и галька с песчаным заполнителем, 2 – песок разнозернистый, 3 – песок мелкозернистый, 4 – алеврит песчаный, 5 – алеврит крупнозернистый (выделен по содержанию фракции 0.1-0.05 мм более 50%), 6 – алеврит мелкозернистый (содержание фракции 0.05-0.01 мм более 50%), 7 – алеврит пелитовый, 8 – пелит, 9 – миктит песчаный, 10 – миктит алевритовый, 11 – миктит пелитовый
Рисунок - 5.8. Литологическая структура донных осадков
(2). Переходная обстановка свала глубин эрозионно-аккумулятивной террасы (от 6-7 м до 10-12 м) к аккумулятивной ее подножья. Представлена осадками продельты (подводного конуса выноса реки), типичной подводной термоабразионной террасы и смешанными осадками. Среди осадков продельты в верхней части свала глубин отмечаются только алеврит мелкозернистый, который книзу замещается алевритом пелитовым. Аналогичная картина прослеживается для осадков типичной подводной термоабразионной террасы и смешанных осадков. Различия между группами также можно проследить по составу биогеохимических маркеров.
Аккумулятивная обстановка подножья свала глубин (более 10-12 м), переходная к аккумулятивной. Представлена алевритом пелитовым, переходящим к подводной равнине в пелит. Биогеохимический сигнал различных источников Сорг ослабевает за счет смешения с морским, что затрудняет разделение осадков связанных с речным стоком и продуктами термоабразии. Однако, природное смешение все же должно проявляться, поэтому и здесь выделяются группы (3а), (3б) и (3в).
Как видно, группа осадков поверхностного слоя, формирующихся на контакте различных источников терригенного материала, не отличается своим многообразием и представлена гравийно-галечным материалом, песками различной крупности и илами (от алеврита крупно- и мелкозернистого до алеврита пелитового и лисперсного пелита). Каждый тип осадка подчеркивает фациальную принадлежность к определенной литодинамической обстановке.
На геофизическом разрезе через подводный береговой склон (Рисунок 5.4) зафиксирована плавно погружающаяся к его подножью акустическая граница, ранее принимаемая за кровлю многолетнемерзлых отложений. Валидированием по результатам бурения и электрозондирования со льда установлено, что эта граница отражает размытую трансгрессивными водами кровлю плейстоценовых песков едомной толщи, перекрытую современными осадками эрозионно-аккумулятивной террасы. Мощность последних возрастает в дистальном направлении почти в 2 раза до нескольких метров, что указывает на постепенное замещение эрозионно-аккумулятивных условий литогенеза аккумулятивными.
Бурением 1982-83 гг. кровля многолетнемерзлых отложений в районе работ была вскрыта под 8-9 м слоем песчано-алевритовых осадков (Рисунок 4.35) (Куницкий, 1989; Григорьев, 1993). По результатам электрозондирования 2012-2015 гг. к этому времени она заглубилась еще ниже, что должно сопровождаться термокарстовыми просадками рельефа. В летний период такие неровности нивелируются вновь поступившими на подводный береговой склон продуктами термоабразии и волнением. В верхней части подводного островного склона выявлены экзарационные борозды, которые возможно отражает карта рельефа дна (рис. 5.9) (сообщение об этом подготовлено автором с коллегами к публикации в «Докладах академии наук», 2016). Экзарационные формы на шельфе МВА зафиксированы даже на внешнем шельфе (Лобковский и др.,2013; 2015).
Пространственная изменчивость характеристик взвешенного стока в системе «река Лена – море Лаптевых»
Аккумулятивные процессы доминируют на среднем шельфе (глубины 25-60 м), что подтверждается накоплением илистых осадков. Обширное поле пелитового ила приурочено к палеодолине. фиксирующей в рельефе положение рифтогенного Усть-Ленского грабена (Ласточкин, 1978). Долина проходит через осевую часть губы Буор-Хая, разрывается поднятием Семеновского мелководья и далее прослеживается в сторону материкового склона (Таблица 5.19; Рисунок 5.23).
Рассматриваются несколько возможных причин формирования осадков, азональных области устойчивой гравитационной и гидрогенной аккумуляции. (1). Примерно 12-11 тыс. лет назад в районе 55-60 м изобаты находилась древняя береговая линия, которая сейчас под влиянием каких-то экзогенных факторов размывается, а на поверхности дна обнажаются неоднородные по литологической структуре осадки. (2). В пользу предположения о выходах подземного надмерзлотного стока на участках островного распространения многолетней мерзлоты свидетельствует приуроченность района к разломной структуре Усть-Ленского грабена, который выражен в рельефе в виде палеодолины (Рисунок 5.77). Разгрузка материковых вод должна сопровождаться размывом. Такой участок между 65-70 м изобатами возможно маркирует ареал песка мелкозернистого (с содержанием фракции песка 80%, алеврита и пелита 10%) среди поля пелита песчаного (Рисунок 5.76 а; 5.78 а-в). Однако, распределение придонной температуры и солености не свидетельствуют в пользу правомерности данной гипотезы
В интервале глубин от 60 до 110 м инструментально зарегистрированы многочисленные выходы газов из толщи осадков в виде пузырьковых фонтанов - так называемых факелов (Рисунок 5.79) (Сергиенко и др., 2012; Semiletov et al., 2012; 2013; Shakhova et al., 2014). Именно к этим гипсометрическим уровням приурочены древние береговые линии, причем на -100-110 м отметках она находилась в кульминацию позднеплейстоценовой регрессии 20-18 тыс. лет назад (Рисунок 5.79) (Ионин и др., 1987). Предполагается, что к данному интервалу глубин приурочено значительное протаивание субаквальной мерзлоты, что способствовало формированию сквозных газовыводящих путей (Shakhova et al., 2009). Диаметр некоторых многокорневых факелов достигал 1 км (Сергиенко и др., 2012) и может быть сопоставим с размерами ареала песков на глубинах -65-70 м (Рисунок 5.76 а; 5.78 а).
Рисунок - 5.80. Вертикальная изменчивость солености, ед. PSU (а, а ), температуры, То (б, б ) и содержания взвеси, ед. NTU (в, в ) вблизи предполагаемой разгрузки газовых флюидов на поверхность дна (а-в) и за его пределами (а -в )
Косвенным подтверждением вымывания тонкозернистого материала служит не только обеднение им осадков района газовыделения, но и увеличение в 5 раз по сравнению с прилегающими участками дна содержания взвеси у дна (Рисунок 5.80 в, в ). В то же время, характер термохалинной структуры водной толщи не указывает на разгрузку газовых (Рисунок 5.80 а, а ; б, б ). Очевидно, что в данном случае имеет место проявления на восточно-арктическом шельфе флюидного типа литогенеза. Он был выделен для зон газово-жидких инъекций минерализованных вод, рассолов, углеводородов и т.п. в сейсмотектонически активных областях (Беленицкая, 2012). Участки концентрированной разгрузки также можно проследить по другим фациально-вещественным признакам осадков – биотурбации (Рисунок 5.76 б), аутигенному карбонатообразованию, как это было показано на примере впадины вблизи центрального свода поднятия Федынского в Баренцевом море (Чамов и др., 2015). Действительно, в осадках полигона «Северный» на участках газопроявления отмечены аутигенные карбонатные стяжения изометричной формы. Полагают, что они образуются в результате цементации кальцитом терригенного материала в местах разгрузки метансодержащих флюидов при участии микробиальных процессов и низкой температуре (Леин, Иванов, 2009). Содержание растворенного метана здесь в среднем в 30 раз превышало фоновые значения для внешнего шельфа моря Лаптевых, температура придонной воды составляла -1.4оС. В составе газовой фазы преобладали СН4 (27-52%), N2 (17-37%), O2 (до 11%) и CO2 (до 2%) (неопубликованные данные лаборатории арктических исследований ТОИ ДВО РАН) (Рисунок 5.76 в, г; 5.80 б).
Геофизическими методами на глубине 59 м внешнего шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского зафиксирована экзарационная борозда шириной около 300 м и глубиной до 4 м (Рисунок 5.81). Такие размеры позволяют судить о существенных размерах и массе тороса, силе давления его киля на дно. Ранее следы ледового выпахивания на арктическом шельфе отмечались на глубинах до 50-78 м (Лисицын, 1994; Barnes, 1982; Reimnitz et al., 1972; 1978; 1995). При отсутствии информации о существовании в настоящее время огромных ледовых тел, способных выпахивать дно на больших глубинах (Огородов, 2014; Barnes, 1982; Reimnitz et al., 1982; 1995), возникает вопрос о времени появления обнаруженной экзарационной борозды. Ее приуроченность к древней береговой линии дает основание предположить реликтовый генезис. В этом случае, она могла образоваться примерно 12-10 тыс. лет назад, когда рассматриваемый район находился в области распространения припайного льда внутреннего шельфа.
Учитывая общность палеогеографического развития и геологического строения, можно предполагать, что осадки с выявленной на внешнем шельфе моря Лаптевых разнородной литологической структурой могут формироваться и в других районах восточно-сибирского шельфа. Так например, миктит песчаный обнаружен на левом борту затопленного русла палеоИндигирки в западной части Восточно-Сибирского моря (см. ниже).
Совмещенное изображение гидролокатора бокового обзора (а) и профилографа «SES-2000 standard» (в) экзарационной борозды на глубине 59 м, внешний шельф восточной части моря Лаптевых ( данные Н.Н. Дмитревского). На рис. (б) направление пересечения, (г) модель экзарационного выпахивания дна по Barnes, 1982, заимствовано из Огородов, 2014)
Существование мощного ледового покрова толщиной до 6-7 м не только в межледниковые эпохи плейстоцена, но даже и в голоценовый оптимум (Чижов, 1970), подтверждает возможность образования мощных торосов в это время. Сохранность морфоскульптуры борозды до настоящего времени можно объяснить двумя причинами: (а) сильным физическим уплотнением ее днища и бортов огромной массой тороса и (б) низкой скоростью осадконакопления. Для этого района моря Лаптевых она составляет всего 2-3 см/1000 лет, а абсолютные массы палеопотоков осадочного материала – около 0.1 г/м2/1000 лет (Купцов, Лисицын, 2003; Kuptsov, Lisitsin, 1996). Осадочный слой плащеобразно облекает поверхность борозды, что и вероятно и обеспечило устойчивость облика морфоскульптуры в состоянии, близком к исходному.