Введение. Глобальные изменения климата, проявления которых стали особенно заметны в последние годы, привлекают пристальное внимание ученых и общественности во всем мире. В частности, тревогу вызывают климатические процессы, происходящие в высоких широтах и связанные с изменениями речного стока, покрова морских льдов и ледникового баланса [Павлидис и др., 1998; Moritz et al., 2002]. В связи с этим большое значение имеет выяснение происхождения и характера распространения ледников во время эпохальных оледенений в арктической части России. Из-за суровых климатических условий в этих краях все еще остается много белых пятен, вследствие чего существуют разные, иногда даже противоречивые представления об образовании и перемещении ледников в Северной Евразии, особенно на континентальном шельфе (например, [Аксенов и др., 1987; Гросвальд, 1983; Svendsen et al., 1999]).

В 2000-2001 гг. ВНИИОкеангеология (Санкт-Петербург) при участии ИО РАН им. П.П. Ширшова, геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Университета штата Огайо (США) организовал геолого-геофизические экспедиции в Баренцевом и Карском морях с целью изучения следов последних покровных оледенений в этом регионе (рис. 1).

Особое внимание было уделено Карскому морю, где границы и динамика оледенений на шельфе изучены очень плохо. Исследования проводились с борта гидрологического судна «Гидролог» и включали следующие методы: высокоразрешающее сейсмоакустическое профилирование (НСП) с электроискровым источником, профилирование с буксируемым акустическим профилографом, работы с гидролокатором бокового обзора, а также отбор проб грунта. Наши районы и цели исследования перекрываются с работами, проведенными по германско-российской программе SIRRO [Scientific…, 2002; Stein et al., 2002], однако применение сейсмоакустического профилирования с электроискровым источником позволило нам охарактеризовать изучаемый разрез на значительно большую глубину, благодаря чему мы смогли лучше оценить условия формирования четвертичных отложений.

Методика исследований

Для проведения непрерывного сейсмоакустического профилирования использовался блок электроискрового возбуждения с выходным напряжением 5 кВ и энергией импульсов 600 Дж. Возбуждение акустических импульсов производилось 40-электродным источником с интервалом в 2 с. Центральная частота спектра возбуждаемых колебаний при этих параметрах равнялась примерно 400 Гц, суммарная длительность сигнала с учетом волн-спутников в точке возбуждения и в точке приема составляла около 4-5 мс, что позволило обеспечить вертикальную разрешающую способность исследований порядка 3-4 м (при скорости волн в осадках около 1600 м/с).

Прием колебаний осуществлялся буксируемой пьезокосой длиной 10 м. Регистрация данных проводилась в полосе частот 30-2000 Гц, шаг дискретизации сигнала - 0,25 мс, длина записи - 2000 дискретов.

Координаты судна определялись приемником GPS и передавались непосредственно в регистрирующий компьютер, где записывались в заголовок каждой трассы. Работы проводились при скорости судна около 6 узлов. Источник и приемник буксировались за кормой судна на глубине 1-1,5 м.

Выбранная методика предопределяла проведение работ в условиях относительно спокойного моря, однако сжатость сроков экспедиции и сложные погодные условия в данном районе заставляли работать и при волнении вплоть до 5 баллов, что, естественно, не могло не сказаться на качестве материала. Тем не менее последующая цифровая обработка позволила заметно улучшить качество данных и сделать практически весь материал пригодным для геологической интерпретации.

Обработка данных

Весь материал сейсмоакустического профилирования был обработан с помощью наших собственных программ обработки. Граф обработки зависел от того, при каком волнении моря и в каких сейсмогеологических условиях выполнялись работы.

Материалы, полученные при хороших погодных условиях (волнение моря не более 2 баллов) и достаточно большой глубине моря (отсутствие кратных волн), практически не нуждались в последующей обработке - работа сводилась лишь к выводу данных на принтер с выбором оптимальных коэффициентов усиления, вертикальных и горизонтальных масштабов. В некоторых случаях применялась полосовая фильтрация (60-1000 Гц), так как полоса регистрации (30-2000 Гц) с большим запасом перекрывала полосу полезных волн.

Редактирование амплитудного состава записей. Сложный материал был получен в условиях относительно сильного волнения моря (от 2 до 5 баллов):

1) хаотические изменения положения источника и приемника по вертикали приводили к большому разбросу времен вступлений волн, в результате чего оси синфазности на временных разрезах «рассыпались»;

2) изменения глубины погружения как источника, так и приемника, а также формы поверхности воды изменяли времена вступлений и интенсивность волн-спутников, в результате существенно менялись форма и интенсивность принимаемых волн.

Для обработки такого типа полевых данных нами были составлены специальные программы корректировки записи. Например, программа редактирования трасс по интенсивности полезной записи работает следующим образом: оценивается интенсивность сигнала в определенном интервале времени, если она меньше некоторого заданного уровня, то такая трасса заменяется предыдущей или последующей трассой. Программа выравнивания трасс по интенсивности в таком случае поступает иначе, а именно: она умножает всю трассу на определенный коэффициент, чтобы интенсивность сигнала в ней была равна средней интенсивности по определенному количеству трасс. В отличие от обычной автоматической регулировки амплитуд, такой алгоритм, используя специфику помехи, позволяет лучше сохранить динамику записи и в то же время существенно улучшает визуальную читаемость записи, но самое ценное - такая обработка повышает качество работы ряда других программ обработки.

Автоматический ввод статических поправок. Специфика большинства материалов НСП с точки зрения цифровой обработки данных такова, что в каждой трассе регистрируется один или несколько высокоамплитудных сигналов, а средне- или малоамплитудных сигналов достаточно мало. Вследствие этого статистические (или корреляционные) методы обработки, такие, как коррекция статических поправок по взаимокорреляционным функциям трасс и предсказывающая деконволюция, часто не работают. В то же время присутствующая практически во всех трассах сильная отраженная от дна волна может быть использована в качестве репера в некоторых процедурах обработки. Несколько таких программ было составлено нами специально для обработки полученных данных.

Как уже указывалось, качество материалов, полученных в условиях волнения моря, страдает из-за хаотических временных сдвигов отраженных волн на близлежащих трассах. Анализ материала показал, что такие сдвиги являются обычно гораздо более высокочастотными, чем изменения рельефа границ вдоль линии профиля, но в то же время не настолько быстрыми, чтобы существенно меняться в пределах одной трассы. Исходя из особенностей таких помех, была составлена программа для их подавления: сначала осуществляется автоматическое прослеживание отраженной от дна волны по всему обрабатываемому интервалу профиля, затем полученные значения времен фильтруются соответствующим фильтром высоких частот, остаточные времена вводятся как статические поправки в соответствующие трассы. Эффективность обработки данных указанными выше программами можно видеть на рис. 2.

Подавление многократных волн. Многократные волны являются наиболее сильной помехой при сейсмоакустическом профилировании на мелководье, несмотря на то, что уже давно были предложены различные способы обработки, направленные на их подавление, например [Backus,  1959; Kunetz & Fourmann, 1968], практически нет программ, пригодных для широкого применения. Дело в том, что все эти способы «работают» только при определенных условиях: 1) высокое качество исходных данных (высокое отношение сигнал/шум, отсутствие нелинейных искажений); 2) подавляются только определенные типы кратных волн; 3) накладываются жесткие условия на систему наблюдений; 4) требуется точное знание некоторых параметров среды или системы наблюдений (например, глубины воды и коэффициента отражения от дна, формы и амплитуды сигнала источника). Выполнить на практике такие условия удается редко.

Нами разработана интерактивная программа, в определенной степени преодолевающая эти ограничения и позволяющая довольно эффективно подавлять многократные волны в водном слое. В основу алгоритма положена формула, предложенная М. Бакусом в работе [Backus,  1959]. Специальные процедуры предобработки данных и интерактивного подбора параметров обработки позволили на базе этой простой формулы сделать довольно хорошо работающую программу. Пример обработки данных этой программой представлен на рис. 3.

Интерпретация данных

За две экспедиции (2000-2001) было выполнено более 3500 км сейсмоакустических профилей (рис. 1). На большей части профилей глубина исследований составила 100-200 м при вертикальной разрешающей способности 3-5 м. Это позволило исследовать ледниковые и послеледниковые отложения на всю их мощность, захватывая во многих случаях и доледниковые (коренные) слои.

Коренные отложения практически во всем районе исследований представлены осадочной толщей с ярко выраженной, как правило, наклонной слоистостью, благодаря которой они четко выделяются на сейсмических временных разрезах (рис. 4-9). Хорошая прослеживаемость сейсмических отражений от этих слоев позволяет также увидеть внутреннее строение коренной толщи, характер складчатости и наличие дизъюнктивных нарушений. Верхняя часть коренных отложений изрезана древними эрозионными врезами - речными или ледниковыми долинами (рис. 5).

Подобные врезы иногда встречаются и на современной поверхности дна (рис. 2). Однако в некоторых районах слоистый характер отложений может быть нарушен мерзлотными процессами, которые на сейсмических записях также выделяются как области потери корреляции и хаотической записи [Бондарев и др., 2002; Мельников и Спесивцев, 1995].

Поверхность коренных отложений на сейсмических временных разрезах надежно выделяется как поверхность несогласия, хотя и не всегда является хорошей отражающей границей: на ней обрываются характерные оси синфазности от внутренних границ в коренной толще (рис. 4-9). В западных и северных районах Карского моря поверх этой границы залегает неоднородная толща с хаотическими отражениями внутри, местами сверху перекрытая отложениями с хорошо выраженной субгоризонтальной слоистостью (рис. 6-7). Толща с хаотической записью, как правило, образует положительные формы донного рельефа (холмы и гряды) и имеет ровную подошву и волнистую или пилообразную кровлю (рис. 6). Донное опробование показывает, что осадки этой толщи сложены плотными миктитами (суглинками). Подобные отложения широко распространены на шельфе Баренцева моря и уверенно интерпретируются как ледниковые [Гатауллин и Поляк, 1990; Elverhøi & Solheim, 1983]. Из-за сильного поглощения и рассеяния акустических волн эти отложения непроницаемы для высокочастотных профилографов и могут быть охарактеризованы лишь сейсмоакустическими методами с достаточно мощным и низкочастотным импульсом. Во впадинах или понижениях подморенного рельефа типичные моренные суглинки иногда перекрываются или замещаются отложениями с почти прозрачной акустической записью, более ровной кровлей и признаками оплывания (рис. 7-8). Такие осадки представлены и в Баренцевом море, особенно показательны - в Центральной впадине, где они интерпретированы как морена сплывания (флоу-тилл) [Гатауллин и Поляк, 1990; Gataullin et al., 1993].

В мелководном районе к югу и востоку от области распространения ледниковых отложений осадки над коренными слоями в основном представлены мощной (до 100 м) толщей со сложным характером сейсмозаписи, включающей прерывистые и волнистые отражения и проградационные структуры (рис. 3). Мы предполагаем, что эта толща сформировалась в мелководных продельтовых условиях при понижении уровня моря. Многочисленные нарушения сейсмостратиграфической картины, вероятно, связаны с мерзлотными процессами. Кровля проградационной толщи имеет хорошо выраженный эрозионный характер и, очевидно, соответствует минимуму уровня моря во время последнего глобального оледенения. Этот горизонт является региональным стратиграфическим маркером, прослеживаемым до Печорского моря на запад и до моря Лаптевых на восток [Gataullin et al., 2011; Kleiber et al. 2001].

В регрессионной толще отмечается множество долинообразных врезов (достигающих 50 м по амплитуде и 5 км по ширине) как заполненных осадком, так и некомпенсированных (рис. 3). Последние хорошо выражены в рельефе дна. Наши данные позволяют выделить еще по крайней мере две генерации погребенных врезов, причем наиболее молодая генерация переходит по латерали в осадки, залегающие поверх эрозионной поверхности последней регрессии. Косослоистый характер заполнения врезов и меандрирующая форма, установленная на детальных батиметрических картах для некоторых некомпенсированных долин, свидетельствуют о формировании этих врезов западносибирскими реками при их выдвижении на шельф с понижением уровня моря. Перед устьями этих прадолин отмечаются линзы слоистых отложений, мощности которых достигают 100 м (рис. 9). Эти продельтовые аккумулятивные тела сливаются к югу от желоба Воронина, образуя обширную бассейновую толщу. Ее северный край налегает на ледниковые отложения (рис. 6).

Ключевым вопросом для палеогеографии региона является возраст ледниковых отложений, установленных нами в северной и западной частях Карского моря. Поскольку прямое датирование морен практически невозможно, особое значение имеет сейсмостратиграфия, в частности корреляция осадочных комплексов в ледниковой зоне и за ее пределами. По нашим данным, горизонт, соответствующий эрозионной поверхности последней регрессии в южной части шельфа, не прослеживается над ледниковыми отложениями. Исходя из этого мы считаем, что по крайней мере наиболее молодые моренные тела были сформированы в последнее (поздневалдайское) оледенение. Этот вывод согласуется с результатами изучения донных осадков в желобах Св. Анны и Воронина [Polyak et al., 1997; 2002a]. Нам представляется логичным соединить границу распространения ледниковых отложений, закартированных нами на шельфе с учетом данных, полученных в 2000-2001 гг., и предыдущих исследований, с уточненной границей последнего оледенения на севере Таймыра [Alexanderson et al., 2001]. Полученная таким образом конфигурация последнего оледенения предполагает, что ледниковые покровы должны были какое-то время полностью блокировать сток западносибирских рек в Карское море (рис. 1, см. также [Polyak et al., 2002]).

При таком палеогеографическом сценарии осадки над эрозионной поверхностью последней регрессии, включая наиболее молодую генерацию погребенных врезов, формировались в связи с подпруживанием рек. Некомпенсированные долины (каналы) могли быть затем выработаны спуском подпруженных бассейнов благодаря распаду ледниковой дамбы при еще довольно низком, но быстро повышающемся уровне моря. Мы отмечаем, что наши выводы о возрасте ледниковых формирований на шельфе Карского моря и палеогеографических условиях не являются окончательными. Необходимо продолжать сейсмостратиграфические работы в Карском море для уверенного установления корреляции основных отражающих горизонтов в ледниковой и внеледниковой зоне, а также для картирования затопленной гидросети и продельтовых (приледниковых) бассейнов.

Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда США - грант ОРР-0221468.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксенов А.А., Дунаев Н.Н., Ионин А.С. и др. Арктический шельф Евразии в позднечетвертичное время. М., 1987.

2. Бондарев В.Н., Рокос С.И., Костин Д.А. и др. Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского моря // Геология и геофизика. 2002. Т. 43, № 7, С. 587-598.

3. Гатауллин В.Н., Поляк. Л.В. О присутствии ледниковых отложений в Центральной впадине Баренцева моря // Докл. АН СССР. 1990. Т. 314, № 6. С. 1463-1467.

4. Гросвальд М.Г. Покровные ледники континентальных шельфов. М., 1983.

5. Мельников В.П., Спесивцев В.И. Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей. Новосибирск, 1995.

6. Павлидис Ю.А., Ионин А.С., Щербаков Ф.А. и др. Арктический шельф. Позднечетвертичная история как основа прогноза развития. М., 1998.

7. Alexanderson Н., Hjort С., Muller P. et al. The North Taymyr ice-marginal zone, Arctic Siberia - a preliminary overview and dating // Global Planet. Change. 2001. Vol. 31. P. 427-445.

8. Backus M.M. Water reverberations - their nature and elimination // Geophys. 1959. Vol. 24, N 2.

9. Elverhøi A., Solheim A. The Barents Sea ice sheet - a sedimentological discussion // Polar Res. 1983. Vol. 1. P. 23-42.

10. Gataullin V.N., Polyak L.V., Epstein O.G., Romanyuk B.F. Glacigenic deposits of the Central Deep: A key to the Late Quaternary evolution of the eastern Barents Sea // Boreas. 1993. Vol. 22. P. 47-58.

11. Gataullin V., Mangerud J., Svendsen J.I. The extent of the Late Weichselian ice sheet in the southeastern Barents Sea // Global Planet. Change. 2001. Vol. 31. P. 453-474.

12. Kleiber H.P., Niessen F., Weiel D. The Late Quaternary evolution of the western Laptev Sea continental margin, Arctic Siberia - implications from sub-bottom profiling // Global Planet. Change. 2001. Vol. 31. P. 105-124.

13. Kunetz G., Fourmann J.M. Efficient deconvolution of marine seismic records // Geophys. 1968. Vol. 33, N 3.

14. Moritz R.E., Bitz С.М., Steig E.J. Dynamics of recent climate change in the Arctic // Science. 2002. Vol. 297. P. 1497-1502.

15. Polyak L., Forman S.L., Herlihy F.A. et al. Late Weichselian deglacial history of the Svyataya (Saint) Anna Trough, northern Kara Sea, Arctic Russia // Mar. Geol. 1997. Vol. 143. P. 169-188.

16. Polyak L., Gataullin V., Gainanov V. et al. Kara Sea expedition yields insight into LGM ice sheet extent // Eos. 2002. Vol. 83, N 46. P. 525,529.

17. Polyak L., Levitan M., Khusid T. et al. Variations in the influence of riverine discharge on the Kara Sea during the last deglaciation and the Holocene // Global Planet. Change. 2002. Vol. 32. P. 291-309.

18. Scientific cruise report of the Kara-Sea Expedition 2001 of RV "Akademik Boris Petrov": The German-Russian project on Siberian River Run-off (SIRRO) and the EU project "ESTABLISH" // Rep. Polar and Marine Res. 2002. Vol. 419. P. 1-278.

19. Stein R., Niessen F., Dittmers K. et al. Siberian river run-off and Late Quaternary glaciations in the southern Kara Sea, Arctic Ocean: preliminary results // Polar Res. 2002. Vol. 21, N 2. P. 315-322.

20. Svendsen J.I., Astakhov V.I., Bolshiyanov D. Yu. et al. Maximum extent of the Eurasian ice sheets in the Barents and Kara Sea region during the Weichselian // Boreas. 1999. Vol. 28. P. 234-242.

Ссылка на статью:

Гайнанов В.Г., Поляк Л.B., Гатауллин В.Н., Зверев А.С. Сейсмоакустические исследования следов покровных оледенений в Карском море // Вестник Московского университета. Сер. 4. Геология. 2005. № 1. С. 38-44.