В Готландской впадине Балтийского моря, по сейсмоакустическим и геологическим данным, выявлены эрозионно-аккумулятивные формы дна, которые представляют собой геологические следы придонных течений. Над галоклином главную роль в их образовании играют стоковые течения, в галоклине и ниже - втоковые течения и стоковые противотечения. Придонные струи, возникающие в галоклине и ниже, огибают восточный, северный и западный склоны, заглубляясь к центру впадины по циклонической спирали. Шторма и ураганы, усиливая эрозионно-аккумулятивные процессы, служат спусковыми механизмами, прямо или косвенно участвующими в образовании эрозионно-аккумулятивных форм на всех глубинах. Наибольшее воздействие штормов отмечается у восточного склона, где указанные формы и литологические границы существенно заглублены по сравнению с западным склоном.

Готландская впадина в последние годы стала объектом комплексных международных исследований, актуальность которых во многом определяется экологическими проблемами. Как было показано [Свиридов и Сивков, 1992; Свиридов, 1994; Сивков и Свиридов, 1994], немалый вклад в решение этих проблем может внести изучение придонных течений по их геологическим следам - эрозионно-аккумулятивным формам дна. Учитывая широкий спектр указанных форм в Готландской впадине, нами предпринята попытка выяснения общей картины их распространения и механизма образования, что позволяет наметить схему придонной циркуляции вод.

В основу статьи положены сейсмоакустические и геологические материалы, собранные в балтийских экспедициях Институтом океанологии АН СССР и его Атлантическим отделением за последние 25 лет (рис. 1). Сейсмоакустические разрезы получены с помощью спаркеров (регистрируемые частоты 60-3 000 Гц) и эхолотов (3 000-100 000 Гц). При отборе проб донных осадков использовались ударные геологические трубки, дночерпатели и драги. Анализ указанных материалов выполнен с учетом публикаций, относящихся к данной проблеме [Балтийское море…, 1992; Геология…, 1991; Орленок и др., 1993; Свиридов, 1994; Bjerkeus et al., 1995; Emelyanov, 1995; Floden, 1980].

Готландская впадина, расположенная в Центральной Балтике, с запада и востока ограничена наиболее крутыми (1-3°) и взаимно параллельными склонами (см. рис. 1). На западном склоне поверхность дна относительно сглажена, на восточном - осложнена уступами. Самая глубокая часть впадины (180-249 м), обрамленная местными склонами, образует замкнутую котловину, вытянутую с ЮЮЗ на ССВ.

Термохалинная структура вод Готландской впадины сложна и изменчива [Балтийское море…, 1992]. Над галоклином, на глубине 0-60 м, развит верхний квазиоднородный слой - ВКС, мощность которого меняется от 10-20 (летом) до 40-60 м (зимой и весной). ВКС лежит на сезонном термоклине мощностью 15-25 м, который, появляясь в мае-июне на глубинах 10-30 м, опускается к ноябрю-декабрю до 40-60 м; в это же время между термоклином и галоклином образуется холодный промежуточный слой мощностью 20-40 м. Галоклин, в зависимости от внешних условий, регистрируется в диапазоне глубин 50-150 м, занимая устойчивое положение на глубине 60-90 м [Балтийское море…, 1992; Mittelstadt, 1994; Stigerbrandt, 1995].

АКУСТИЧЕСКИЕ И ВЕЩЕСТВЕННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТИПЫ ОСАДКОВ

В Готландской впадине, по сейсмоакустическим данным, выделяются акустически непрозрачные, полупрозрачные и прозрачные осадки (рис. 2), соответствующие тем или иным вещественно-генетическим типам и определенным гидродинамическим условиям.

Акустически непрозрачные осадки представлены песками, сглаживающими дно. Они являются сильными рефлекторами, экранирующими глубинные границы. На западном склоне граница песков достигает глубины 110 м (чаще 40-65 м), на восточном - 140 м (обычно 50-70 м); наиболее стабильное ее положение (гл. 50-65 м) контролируется верхней бровкой склонов, ниже которой (на гл. 70-110 м) пески замещаются алевритами.

Акустически полупрозрачные осадки дают сильные отражения от дна. Они регистрируются на глубинах 10-200 м, где дно выровнено и сложено алевритами или (реже) тонкими песками. У оснований склонов (гл. 120-130 м), в силу замещения илами, их присутствие резко сокращается. На западном склоне они встречаются в диапазоне глубин 10-150 м (чаще на гл. 20-45, 60-80, 100-110 м); на восточном склоне этот диапазон заглублен до 20-200 м, а участки их концентрации - до 30-60, 80-95, 100-120 м.

Акустически прозрачные осадки характеризуются высокой проницаемостью, слабым отражением от дна, осветленными разрезами и ярко выраженной слоистой структурой. Они сложены илами и (реже) алевритами, заполняющими впадины. На западном склоне граница илов, появляясь на уровне 50 м, занимает устойчивое положение на гл. 120-125 м, а на восточном - опускается до гл. 90 м, стабилизируясь в пределах 130-132 м.

ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫЕ ФОРМЫ ДНА И МЕХАНИЗМ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

Эрозионно-аккумулятивные формы дна (зоны интенсивного размыва, локальные врезы, конусы выноса и прирусловые валы, песчаные волны) в пределах Готландской впадины встречаются практически на всех глубинах.

Зоны интенсивного размыва (рис. 2, индекс "а", рис. 3) охватывают мелководье, банки и склоны, прослеживаясь до глубины 240 м. Изрезанное дно сложено здесь мореной, глинами, реже - песками. Максимальному размыву подвергаются прибрежное мелководье (гл. 0-30 м) и склоны (гл. 60-120 м).

Мелководный размыв связан с высокой гидродинамической активностью верхнего квазиоднородного слоя, где проявляются волнение моря, ветровые течения и максимальная турбулентность, многократно усиленные штормами [Балтийское море…, 1992; Доронин и др., 1981; Stigerbrandt, 1995]. Свой вклад в размыв дна вносят и мезомасштабные вихри, распространяющиеся в водной толще вдоль склонов, и сгонно-нагонные явления, вызывающие возвратные потоки у дна, и направленные к югу (и отклоняющиеся вправо силой Кориолиса) стоковые течения, размывающие западный склон [Балтийское море…, 1992]. В силу указанных причин на мелководье образуется зона неустойчивого динамического равновесия, где эрозия и аккумуляция взаимообратимы, где идет постоянное переотложение осадков.

Повышенный размыв дна в галоклине (гл. 60-90 м) характерен лишь для восточного склона, где втоковые струи под действием силы Кориолиса устремляются вдоль средней (наиболее крутой) части склона. Во время штормов и ураганов в галоклине и на его границах развиваются интенсивные градиентные течения [Балтийское море…, 1992; Доронин и др., 1981; Stigerbrandt, 1995], которые вместе с повышенной турбулентностью этого слоя [Доронин и др., 1981] размывают склон. Штормовой сброс лавин многократно усиливает эти течения и абразию дна. У западного склона, где втоковые струи отклоняются силой Кориолиса к востоку, размыв дна на глубине галоклина минимален.

Очень сильная абразия дна происходит ниже галоклина (гл. 100-130 м) - у подножия склонов, где во время штормов разгружаются сходящие со склонов лавины; на больших глубинах вклад этих лавин становится доминирующим. Сравнение показывает, что восточный склон размывается более интенсивно (вплоть до гл. 180 м) - особенно на глубине 108-133 м. На западном склоне размыв прослеживается лишь до глубины 140 м при максимальной абразии дна на глубине 100-120 м.

Локальные врезы (рис. 2, индекс "б"; рис. 4) регистрируются на глубинах 10-247 м, образуя разветвленную сеть, подобную речной сети на суше. Они протягиваются на десятки километров, прорезая дочетвертичные и четвертичные отложения и сгущаясь на нескольких батиметрических уровнях (18-35,45-52, 58-75, 90-105, 110-125, 136-142, 147-182, 220-246 м), соответствующих наиболее крутым частям склонов.

Среди локальных врезов выделяются два типа: секущие склоны вкрест и вдольсклоновые. Первые, зарождаясь на мелководье, оканчиваются у оснований склонов конусами выноса. Наиболее контрастно эти врезы выражены на крутых участках дна, где имеют V-образный профиль и сгущенную древовидную сеть. Часть из них, впадая во вдольсклоновые русла, смещают последние вниз по склону. Вдольсклоновые русла ярко проявляются лишь у оснований склонов, где имеют корытообразный (иногда асимметричный) профиль. Заглубляясь и попадая на пологие участки дна, они разветвляются на многочисленные ложбины стока (шириной - десятки метров, глубиной - в пределах метра), по которым тонкая взвесь выносится к центру впадины.

В галоклине и выше локальные врезы распределены неравномерно. На западном склоне они малочисленны и сосредоточены лишь на двух первых уровнях - в пределах ВКС и термоклина. На восточном склоне их число резко увеличивается - особенно на третьем уровне, соответствующем верхней бровке склона и верхней половине галоклина. Это указывает на повышенную гидродинамическую и эрозионную активность на восточном мелководье, где поперечные врезы могут зарождаться за счет возвратных потоков у дна при штормовых нагонах, а продольные - за счет втоковых струй и градиентных течений в галоклине. На западном мелководье, где втоковые струи малоэффективны, доминирующую роль в образовании поперечных врезов начинают играть шторма, а продольных - стоковые течения.

Ниже галоклина (гл. 90-195 м), при достаточно густой эрозионной сети, вдольсклоновые врезы начинают преобладать, что особенно характерно для восточного склона. Здесь же отмечается заглубление указанной сети по сравнению с западным склоном.

Как показывают исследования [Балтийское море…, 1992; Mittelstadt, 1994], ведущую роль в образовании эрозионных каналов на больших глубинах могут играть шторма и ураганы, вызывающие сход суспензионных лавин со склонов. Вливаясь в продольные русла, они многократно увеличивают скорость и эрозионную силу вдольсклоновых течений. Последние, вынося грубую взвесь к центру впадины, будут формировать здесь ареалы песков и алевритов среди полей илов. Весомый вклад в эрозию дна впадины могут внести также импульсные течения, вызванные длиннопериодными колебаниями всей водной толщи (сейшами, циклонами); в каналах и узкостях скорость таких течений достигает многих десятков см/с [Балтийское море…, 1992].

Из вышеизложенного видно, что поперечная сеть врезов, формируясь в высокоэнергетической обстановке при хаотическом и кратковременном воздействии штормовых импульсов, будет часто менять свое положение в пространстве и времени. Вдольсклоновые же русла, зарождаясь в основном ниже галоклина на фоне ослабленного гидродинамического режима и долгопериодных внешних воздействий, развиваются длительно, образуя стационарное трассы.

Аккумулятивные тела (рис. 2 - индекс "в", рис. 4) отмечаются на глубинах 15-248 м, где представлены конусами выноса и прирусловыми валами из песков, алевритов и илов. Они прослеживаются в виде шлейфов у оснований склонов, концентрируясь на шести батиметрических уровнях: 40-65, 110-125, 130-155, 160-180, 190-200, 220-235 м.

Два первых уровня соответствуют крутым склонам (гл. 40-130 м); на первом из них сосредоточены конусы выноса из песка и (реже) алеврита, тяготеющие к верхней бровке склонов, на втором - конусы выноса и прирусловые валы из алевритов (реже песков или илов), сосредоточенные у подножия склонов или на присклоновых террасах.

Песчаные конусы выноса первого уровня формируются в «зоне затишья» (гл. 25-65 м), которая обладает минимальной турбулентностью [Балтийское море…, 1992; Доронин и др., 1981] и соотносится с холодным промежуточным слоем. Здесь, на глубине 45-65 м, наблюдается самая высокая концентрация аккумулятивных тел над галоклином с наиболее устойчивым положением границы песков. В этой же зоне, на глубине 20-65 м (чаще - 30-40 м), обнаружены явные следы придонных течений в виде песчаных волн (высотой - около метра, длиной волны - метры и десятки метров), которые на восточном мелководье располагаются глубже, чем на западном.

Сравнение показывает, что на восточном склоне, где, благодаря втоковым струям, штормам и возвратным течениям от берега, гидродинамическая активность у дна резко возрастает, граница песков и ее наиболее устойчивое положение существенно заглублены по сравнению с западным склоном, где втоковые течения малоэффективны, а направленные к берегу противотечения (при штормовых сгонах) выносят взвесь вверх по склону.

Второй уровень расположен под галоклином в нижней части склонов. У подножия этих склонов, в зоне резкого затухания гидродинамической активности, происходит массовая разгрузка взвеси, принесенной сюда мутьевыми потоками по многочисленным каналам сброса; здесь формируется зона активной седиментации с высокой концентрацией конусов выноса и прирусловых валов, сложенных в основном алевритами (реже - песками или илами); здесь же прослеживается устойчивая граница илов.

Третий уровень (гл. 130-155 м) чаще всего тяготеет к основанию склонов, где формируются прирусловые валы и конусы выноса из алевритов и илов. Сложенные илами аккумулятивные тела других глубоководных уровней сконцентрированы в основном на пологих участках дна - в средней части впадины и у оснований местных склонов (гл. 200-230 м). На восточном склоне эти тела более локализованы (особенно в диапазоне глубин 100-180 м) и проявляются гораздо контрастнее, чем на западном.

Как уже отмечалось, особую роль в эрозионно-аккумулятивных процессах Готландской впадины играют шторма и ураганы. Многократно увеличивая турбулентность и мощность ВКС [Балтийское море…, 1992], они приводят к интенсивному размыву дна, взмучиванию и переотложению осадков на мелководье. Сильные градиентные течения, возникающие в заглубленном пикноклине, начинают размывать более глубокие участки склонов, увеличивая их крутизну, а возросшие уклоны изопикнических поверхностей, вызванные вихрями и внутренними волнами [Балтийское море…, 1992], облегчают прорыв суспензии под пикноклин. В результате схода лавин границы распространения эрозионно-аккумулятивных форм и литологических комплексов смещаются по глубине, поэтому многие из ныне обнаруженных следов придонных течений могут быть оставлены последними сильными штормами, а глубина стабилизации иловой границы, соответствующая максимальному затуханию гидродинамической активности, может быть увязана с положением пикноклина в штормовых условиях.

Рассмотренные материалы показывают, что наиболее интенсивные гидро- и литодинамические процессы протекают у восточного склона, куда силой Кориолиса поджимаются североморские втоковые течения и стоковые противотечения, где воздействие штормовых нагонов максимально и где сброс суспензии с южного и ЮВ склонов совпадает с направлением указанных струй и общим уклоном продольной оси впадины. Подпитываясь суспензией из поперечных притоков и заглубляясь под их напором (а также благодаря увеличенной за счет суспензии плотности вод), североморские струйные течения устремляются вдоль восточного склона, вырабатывая каналы и ложбины. На СВ и северном склонах эти струи будут заглубляться как изопикнически, так и под влиянием нисходящих со склона поперечных потоков, отклоняющихся силой Кориолиса вправо (по направлению течений), и, в соответствии с простиранием изобат, будут разворачиваться здесь к западу, а на восточном склоне Клинтс-Банки - к югу. Огибая склоны по циклонической спирали, общий поток устремится к центру впадины. При длительных штормах скорость потока в заглубляющейся спирали будет достаточна, чтобы интенсивно размывать восточный склон и выносить суспензию во впадину. Взвесь, вовлеченная в циклоническую спираль в центре впадины, может подниматься вплоть до пикноклина и, мигрируя вдоль него к бортам впадины, снова выпадать в осадок, но уже на более высоком батиметрическом уровне.

Из рассмотренной схемы видно, что центральная часть Готландской впадины, обрамленная глубоководными склонами, представляет собой котловину с преобладанием циклонической придонной циркуляции вод. На это же указывают и прямые гидрологические наблюдения [Балтийское море…, 1992; Mittelstadt, 1994].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненных исследований в районе Готландской впадины Балтийского моря намечаются два главных гидродинамических механизма, причастных к образованию следов придонных течений: стоково-втоковый и штормовой.

Ведущей, постоянно действующей энергетической силой над галоклином является сток балтийских вод, усиливающийся почти круглогодичным ЮЗ переносом воздушных масс [Балтийское море…, 1992], а в галоклине и ниже - вток североморских вод и стоковые противотечения. Стоково-втоковый механизм определяет главные трассы придонных течений выше и ниже галоклина, создавая в центре Готландской впадины циклоническую циркуляцию вод. Стоковые течения играют решающую роль в эрозионно-аккумулятивных процессах у западного склона, втоковые - у восточного.

Шторма и ураганы, создавая мощные импульсы, запускают и активизируют эрозионно-аккумулятивные процессы на всех глубинах. Особенно велика роль штормов в образовании эрозионно-аккумулятивных форм ниже галоклина, где их действие проявляется косвенно - через сход лавин, усиление скорости и мощности суспензионных потоков, через сейши. Совместное действие и наиболее интенсивное проявление указанных механизмов у восточного склона приводит к заглублению здесь эрозионно-аккумулятивных форм и литологических границ на десятки метров относительно своих аналогов на западном склоне. Широкое распространение этих форм на самых больших глубинах является показателем высокой гидро- и литодинамической активности в центральной части Готландской впадины. Глубины распространения эрозионно-аккумулятивных форм и литологических границ отражают штормовую гидродинамическую активность, а устойчивое положение иловой границы - резкое ослабление этой активности.

Представленные материалы и выводы могут быть рекомендованы для практического воплощения. Зоны сплошного размыва дна и аккумулятивные тела могут служить ориентирами при поисках затонувших судов, ранее захороненных взрывчатых и отравляющих веществ, при прокладке подводных коммуникаций и гидротехнического строительства. Эрозионная сеть, являясь проекцией древних русел и нарушений осадочного чехла на поверхность дна, может быть использована для поисков погребенных речных долин, разломов и газово-флюидных потоков.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 94-05-17783-а).

Авторы благодарят Р.В. Абрамова за ценные консультации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балтийское море. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. / Ред. Терзиев Ф.С., Рожков В.А., Смирнова А.И. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. Т. III. Вып. 1.450 с.

2. Геология и геоморфология Балтийского моря. Сводная объяснительная записка к геологическим картам м-ба 1:500000 / Науч. ред. А.А. Григялис. Л.: Недра, ЛО. 1991.420 с.

3. Доронин Ю.П., Карлин Л.Н., Крейман К.Д., Мензин А.Б. Моделирование гидрологического режима Балтийского моря // Тр. XII конференции Балтийских океанографов. Ленинград, 14-17 апреля, 1980 г. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. С. 21-26.

4. Орленок В.В., Линдин М.И., Студеничкин Н.В. Петрофизика дна Балтийского моря. Калининград: КГУ, 1993. 160 с.

5. Свиридов Н.И., Сивков В.В. Использование сейсмоакустических данных для изучения придонных течений Юго-Западной Балтики // Океанология. 1992. Т. 32. № 5. С. 941-947.

6. Свиридов Н.И. Геологические следы придонных течений на восточном склоне Готландской впадины Балтийского моря // Геология морей и океанов. М.: ИО РАН, 1994. Т. 2. С. 39-40.

7. Сивков В.В., Свиридов Н.И. О связи эрозионно-аккумулятивных форм донного рельефа и придонных течений в Борнхольмской впадине Балтийского моря // Океанология. 1994. Т. 34. № 2. С. 294-298.

8. Bjerkeus М., Gelumbauskaite Z., Sturkell Е., et al. Paleochannel in the East Central part of the Baltic Proper // Baltica. 1995. № 8. P. 15-26.

9. Emelyanov E.M. Baltic Sea: Geology, Geochemistry. Paleoceanography, Pollution. Kaliningrad: Yantarny Skaz, 1995. 119 p.

10. Mittelstadt E. The Subsurface Circulation in the Gotland Deep. Preliminary Results from a hydrographic survey in Nov. / Dec. 1993 with R/v "Gauss" // GOBEX. Gotland Basin Experiment. Inst. f. Ostseeforschung, NEWSLETTER. Warnemünde, FRG, 1994. № 2. P. 1-5.

11. Floden T. Seismic stratigraphy and bedrock geology of the central Baltic. Stockholm: Stockholm Contributions in geology. Acta Universitatis Stockholmiensis, 1980. 240 p.

12. Stigebrandt A. The large-scale vertical circulation on the Baltic Sea // First Study Conference on BALTEX. Vis-by, Sweden, Aug. 28-Sept. 1, 1995. Conference Proceedings // Ed. Omstedt A. Norrkoping, 1995. № 3. P. 28-47.

Geological Traces of Bottom Currents in the Gotland Deep of the Baltic Sea

N. I. Sviridov, V. V. Sivkov, M. V. Rudenko, E. S. Trimonis

Erosional-accumulative bottom forms (EAF) represent the geological traces of bottom currents. According to the seismoacoustic and geological data they are revealed in the Gotland Deep of the Baltic Sea. Drain currents play the principal role in their formation over the halocline, inflow currents and drain countercurrents dominate in the halocline and lower. The near-bottom streams generated in the halocline and below it flow around the eastern, northern and western slopes and deepen to the hollow center like a cyclonic spiral. The storms and hurricanes reinforcing the erosional accumulative processes act as trigger mechanisms which participate in the EAF formation at all depths. The greatest influence of storms is observed near the eastern slopes where all EAF and lithologic boundaries are deepened in comparison with the western slope.

Ссылка на статью:

Свиридов Н.И., Сивков В.В., Руденко М.В., Тримонис Э.С. Геологические следы придонных течений в Готландской впадине Балтийского моря // Океанология, 1997, том 37, № 6, с. 928-935.