В 1974-1981 гг. на базе Североземельского гляциологического стационара были проведены работы с целью выявления изменчивости природной среды высокоширотной Арктики. Среди объектов изучения приледниковой зоны оз. Изменчивое заняло особое место, так как ра­боты, проведенные в его бассейне, дали обширный фактический мате­риал для палеогеографических построений [Макеев, 1980].

Исследования ленточно-слоистых илов озера, начатые в 1975 г., показали, что донные осадки этого приледникового водоема содержат информацию об условиях осадконакопления в течение голоцена [Макеев, 1976; 1980; Макеев и Бердовская, 1975]. Были выявлены особенности строения ленточных илов и возможности палеоклиматических реконструкций с помощью варвометрического анализа [Макеев, 1976; 1980]. Однако в процессе изучения колонок донных отложений возник ряд трудностей, связанных с выделением в илах годовых слоев. Оказалось, что кроме годовых варвов в разрезе донных отложений существуют иные, отличные от годовых слои, происхождение которых объяснить было трудно.

Известно, что почти во всех работах, посвященных изучению ленточной слоистости, рассмотрены осадки древних приледниковых озер, в настоящее время не существующих [Дафф и др., 1971; Жемчужников, 1963; Зайцева, 1969; Марков, 1927; Окишев и др., 1978; Пиррус, 1965; Шварцбах, 1955; Шостакович, 1941; Боуэн, 1981; De Geer, 1963 и др.], а палеоклиматические реконструкции, построенные на этих материалах, обычно «страдают» неточностью временной шкалы [Боуэн, 1981] из-за того, что их основой является положение об откладывании пары слоев всегда в течение одного года. Материал тех работ, в которых подмечена внутригодовая (сезонная, суточная) слоистость ленточных отложений [Жемчужников, 1963; Зайцева, 1969; Пиррус, 1965; 1968; Шварцбах, 1955], не позволяет четко разделить слои на сезонные и более мелкие. В настоящее время, насколько нам известно, существует лишь одна работа, подводящая к решению такого вопроса. Это исследование П.А. Окишева, А.Н. Рудого, Н.Г. Герасимова [Окишев и др., 1978], в котором рассмотрение ленточных глин с литологических позиций приводит к выработке критерия, позволяющего различать сезонную и внутрисезонную слоистость ленточных осадков. Необходимость дальнейших исследований в данном направлении для решения палеогеографических задач очевидна.

Самостоятельными и в то же время тесно связанными задачами настоящей статьи являются: во-первых, изучение процесса осадконакопления в современном приледниковом озере, как разновидности полярного литогенеза; во-вторых разработка критериев для использования ленточных отложений в палеогеографических целях.

Определение особенностей процесса осадконакопления современного приледникового озера потребовало комплексного подхода в исследованиях. Для решения поставленных задач в течение летних сезонов 1979 и 1981 гг. в бассейне оз. Изменчивого проведены: геоморфологическая съемка бассейна озера и прилегающих территорий, гидрометеорологические измерения, батиметрическая съемка озерной ванны, съемка донных отложений, тахеометрическая съемка участков побережья, наблюдения за массовыми движениями на склонах озерной котловины, непосредственные измерения скоростей современного осадконакопления. Вся совокупность полученных данных позволяет понять сложность процесса осадконакопления и выяснить роль многочисленных влияющих на него факторов.

Озеро Изменчивое расположено на о-ве Октябрьской Революции (архипелаг Северная Земля) к югу от ледника Вавилова, занимая часть ориентированной с юго-юго-запада на северо-северо-восток замкнутой структурно-денудационной котловины эллипсоидальной формы, представляющей собой обширную инверсионную депрессию в ядре брахиантиклинали, сложенной пластами карбонатных пород ордовика и нижнего силура (рис. 1). Происхождение котловины достоверно не определено, однако можно предположить, что это древняя карстовая форма, выработанная в легко выщелачиваемых карбонатных гипсоносных породах. В четвертичное время котловина озера испытала на себе воздействие морских трансгрессий и ледниковых подвижек [Макеев, 1980]. В настоящее время северная часть котловины (периклинальное замыкание брахиантиклинали) погребена ледником Вавилова, летний режим абляции которого определяет особенности осадконакопления в приледниковом озере, находящемся в 4 км от края ледника в южной части денудационной котловины. Площадь озера составляет примерно 10 км², средняя глубина - 4,7 м, наибольшая - 18,5 м, приблизительный объем воды - 50 млн. м³. В плане озеро изометрично, но имеет непростой рельеф дна, от особенностей которого во многом зависит величина осадконакопления на различных участках (рис. 2). Три котловины, ограниченные 12-метровыми изобатами, занимают 28% площади озера и отделены друг от друга перемычками высотой от 2 до 8 м. Северный берег озера, образованный дельтой впадающих проток, приглубый (крутизна подводного склона 6-7°). Береговая зона западной и восточной частей озера имеет пологий (менее 1°) надводный и более крутой (3-4°) подводный склоны. Южная часть озера - мелководная акватория с глубинами до 2 м. Исток протоки, соединяющей озеро с морем, также мелководен и представляет собой порог, становящийся преградой стоку воды из озера в холодное время года. Перепад высот в 6 м от уреза воды в озере до уровня моря вода преодолевает в узком, глубоком (до 40 м) каньоне, выработанном в известняках. Основная особенность данного приледникового водоема, как упомянуто выше, - отсутствие непосредственного контакта глетчерного льда и озерных вод.

Сток воды и наносов в озеро осуществляется по трем системам долин, выработанным талыми водами в приледниковой равнине, что придает процессам осадконакопления в водоеме специфический характер. Ледниковый сток формируется в результате таяния снега и льда на части южного склона ледника Вавилова в течение 2,5, максимум 3 месяцев в году (июль - сентябрь). Множество потоков воды, почти не содержащих взвешенного материала, низвергаются водопадами с ледяных обрывов или стекают по винтообразным в плане каньонам глубиной в несколько десятков сантиметров, выработанным в глетчерном льду. У подножия ледника они группируются в более крупные водотоки, образующие эрозионную сеть и несущие талые ледниковые воды к озеру на расстоянии от 4 до 8 км. Насыщение потоков наносами происходит в результате эрозии коренных пород и четвертичных отложений, залегающих в северной части структурно-денудационной котловины. Значение моренного материала, выходящего на поверхность склонов ледника, в питании потоков наносами ничтожно. Основной поставщик твердого материала в озеро - восточная система проток (см. рис. 1), так как именно в северо-восточной части котловины залегают коренные породы и морские четвертичные отложения, в которые потоки вынуждены врезаться для приведения своих уклонов в соответствие с транспортирующей способностью. В западной половине котловины частично коренные породы и весь чехол морских отложений снесены ледником, который, наступая с северо-востока на юго-запад [Макеев и Малаховский, 1978], подверг дистальный склон озерной котловины значительной экзарации, в то время как проксимальный (восточный) склон сохранил на себе покров рыхлых отложений. Поэтому потоки центральной и западной систем долин несут в озеро незначительное количество твердого материала. Результаты измерений и подсчетов относительной роли систем проток в питании озера наносами приведены в таблице. Принимая во внимание только взвешенные наносы, поступающие в озеро, необходимо отметить, что доля влекомых частиц в общем стоке наносов невелика, о чем свидетельствует морфология русел, в которых даже мелкие гряды имеют очень незначительное развитие. К тому же в начальный период стока перемещение наносов осуществляется в руслах с ледяным дном и берегами, где доля влекомых наносов еще более снижается.

Специальные наблюдения за стоком наносов со склонов озерной котловины и поступлением материала в результате массовых движений рыхлых отложений на склонах (крип, солифлюкция) показали, что как первый, так и последние играют очень незначительную роль в питании озера твердым материалом. Доля этих процессов в общем стоке наносов в озеро не превышает, по-видимому, 1% (по весу) от количества материала, выносимого в водоем талыми ледниковыми водами. Сток взвешенных частиц из озера невелик. В 1979 г. за пределы озерной ванны было вынесено 1,4%, в 1981 г. - 1,0% материала от поступившего. Таким образом, приледниковое озеро аккумулирует почти все наносы, приносимые талой ледниковой водой.

Колебания количества материала, поступающего в оз. Изменчивое, находится в тесной связи с изменениями в режиме абляции ледника Вавилова, который, в свою очередь, определяется режимом погоды. Положение, что «климат, по-видимому, представляет один из главных факторов, контролирующих процесс осадконакопления в целом, отдельные разновидности циклов озерных отложений, очевидно, фиксируют периодические метеорологические изменения», выдвинутое в работе Даффа, Халлама, Уолтона [Дафф и др., 1971, с. 58], подтверждается исследованиями в бассейне оз. Изменчивого. Здесь выявлена связь между температурой воздуха, направлением и силой ветра, с одной стороны, интенсивностью поступления твердого материала в озеро и его накоплением - с другой. Сравнение результатов метеорологических наблюдений за два теплых сезона интересно тем, что лето 1979 г. было аномально теплым (средняя температура июля в бассейне озера составила +3°С), в то время как в 1981 г. оно отличалось низкими температурами воздуха (средняя температура июля +1°С). В первую очередь необходимо заметить, что сток воды и наносов находится в прямой зависимости от температуры воздуха в исследуемом районе. Эта связь отчетливо проявляется при сравнении среднесуточных температур воздуха и в особенности сумм температур воздуха за период в трое суток с гидрографом стока, ходом уровня воды в озере (рис. 3). Чем больше сумма температур, тем быстрее растет величина стока воды и наносов (рис. 3,4). Наиболее показательной такая зависимость оказалась в 1979 г., когда температура воздуха в отдельные, дни достигала 12°С и незначительные ее колебания вызывали заметные изменения стока. В 1981 г. только значительные колебания в температурном режиме на холодном фоне приводили к вариациям стока.

Влияние ветрового режима в районе озерной котловины на сток и осадконакопление осуществляется, по крайней мере, двумя путями: во-первых, сильный теплый ветер способствует увеличению интенсивности турбулентного теплообмена, что ведет к быстрому таянию снега и льда и, следовательно, повышению величин стока воды и наносов (см. рис. 3); во-вторых, часто меняющий направление сильный ветер способствует разрушению ледяного покрова озера, что приводит к усложнению процесса осадконакопления.

Вывод, обоснованный А.Н. Кренке и В.Г. Ходаковым [1966] о значительно большей значимости температуры воздуха, для абляции, чем поглощенной радиации, подтверждается наблюдениями в бассейне оз. Изменчивого.

Для выявления характера распределения взвешенных частиц по площади и глубине, оценки скорости аккумуляции илов на различных участках дна озера были проведены наблюдения за режимом мутности озерной воды путем отбора и обработки проб воды с нескольких горизонтов в контрольной точке, расположенной в пределах центральной котловины водоема, и в других характерных точках при различных гидрометеорологических ситуациях.

В конце холодного периода перед началом таяния (июнь) величина мутности воды в центральной части озера составляет лишь первые граммы в 1 м³ (1-5 г/м³) и незначительно варьирует по всей толще воды с мало заметным повышением в придонных слоях. Температура озерной воды при этом выше у дна ( +1,7°С в 1979 г., +0,7°С в 1981 г.) и ниже у поверхности ( +1,5°С в 1979 г., 0,4 °С в 1981 г.). После начала стока талых ледниковых вод мутность резко возрастает. Потоки воды с температурой 0,2-0,5°С, насыщенные взвешенным материалом, вливаются в озеро по отдельным промоинам, образовавшимся в озерном льду, основная масса которого в береговой зоне еще лежит на грунте. Взвесь распространяется в основном в верхних слоях воды и величина мутности последней достигает 42-45 г/м³ на глубине 4 м, в то время как в придонных слоях - 4-5 г/м³ (однократное наблюдение в 1981 г.). Термический режим озера пока остается прежним (обратная стратификация). Такой характер стока наносов сохраняется в течение нескольких суток. По мере поступления талой воды уровень ее в озере повышается, ледяное поле по быстро растущим трещинам отрывается от дна в береговой зоне и всплывает. В новых условиях твердый материал попадает в водоем несколько иным путем, зависящим от рельефа озерной ванны. Основная масса взвешенных частиц распространяется по придонным слоям, доказательством чему служат многочисленные измерения величин мутности воды на различных горизонтах. Подводные долины, подходящие непосредственно к северному берегу озера, перехватывают часть поступающих по протокам наносов, которые переносятся в центральную и северную котловины озера в виде потоков типа мутьевых. Особенно важен такой путь питания наносами для центральной части водоема, так как северная котловина, получающая со стоком наибольшее количество твердого материала, отделена от центральной порогом, задерживающим перенос взвешенных частиц (см. рис. 2). Такие же особенности рельефа дна препятствуют проникновению по придонным слоям взвешенного материала в восточную котловину озера. Сюда взвешенные частицы проникают лишь по верхним слоям воды, где их концентрация наименьшая.

Максимальные значения мутности воды зафиксированы в северной части озера, там, где происходит разгрузка ледниковых потоков и осаждение наиболее крупной фракции наносов - песка. Здесь идет процесс ежегодного наращивания дельты, сокращающий площадь озера на 0,012 км² в год (осреднение за 1952-1982 гг.). Величина мутности воды достигает значений в сотни грамм на 1 м³, еще более увеличиваясь при штормах в результате взмучивания уже осевших частиц в пределах закраин.

Концентрация взвеси в воде зависит от количества поступающего материала, подверженного значительным флуктуациям по причине различной интенсивности таяния на леднике и руслового процесса в протоках. Если мутность воды в протоках восточной системы составляет 700-900 г/м³ и меньше, то в центральной части озера достигает лишь 10 г/м³ в верхних горизонтах и 30 г/м³ у дна. В северной котловине эти величины больше, чем в восточной. При максимальном наблюдавшемся стоке наносов, когда в протоках в 1 м³ воды содержится до 4500 г твердого материала, наибольшее значение мутности в центральной котловине озера достигается лишь через 2 суток после начала интенсивного стока и составляет 100 г/м³ в придонных слоях и 20-25 г/м³ на глубине 4 м. У поверхности подводных порогов, разделяющих озеро на несколько котловин, на глубине 3-8 м концентрация взвеси достигает значений, приблизительно равных 10 г/м³, что подтверждает вывод о преимущественно придонных путях распространения в водоеме взвешенного материала. Температурные различия поверхностных и придонных вод сохраняются к концу периода таяния, а в редких условиях свободного ото льда озера (1979 г.) устанавливается гомотермия.

В свободном от ледяного покрова озере концентрация взвешенных частиц в значительной степени зависит от ветро-волнового режима. В результате интенсивного взмучивания донных осадков в береговой зоне происходит более равномерное насыщение озерных вод твердыми частицами и различия в их концентрации в придонных и поверхностных слоях сглаживаются, что ведет к более равномерному распределению материала по площади дна озера. В условиях открытой акватории периоды штормов сменяются иногда довольно длительными (до нескольких суток) периодами штилевой или слабоветреной погоды, когда большая часть вынесенного в озеро и взмученного материала может достигнуть дна. В результате чередования штормовых и спокойных условий возможно неоднократное осаждение взвешенного материала, образующего в осадках внутрисезонную слоистость.

Имея количественные данные о выносе обломочного материала в озеро, зная морфометрические характеристики озерной ванны и плотность донных отложений, нетрудно рассчитать слой осадка, ежегодно откладывающегося на дне. Однако вызывает затруднение вопрос о величинах плотности илов, так как последние значительно изменяются как в вертикальном разрезе донных отложений, так и по площади дна. Детальных работ по определению плотности илов в естественном залегании не проводилось. Из имеющихся данных наиболее близкой к естественной является величина 0,58 г/см³, полученная из определения объема и веса осадка, накопившегося в осадкоулавливателе, установленном вблизи дна в центральной котловине озера на период таяния. Эта величина характеризует плотность самых верхних слоев илов только в центральной котловине, в других же частях водоема она может быть иной. После высыхания на воздухе плотность плов возрастает до 1,73 г/см³, а толщина осадка уменьшается почти в 3 раза. Слои ленточных илов, залегающие на некоторой глубине от поверхности дна, по-видимому характеризуются еще большей плотностью. Значение плотности 1,7 г/см³ принято для отложений, слагающих дельту впадающих в озеро проток. Исходя из принятого условия, в дельте ежегодно в среднем задерживается 31 000 м³ наносов, что составляет 31% от среднегодового твердого стока проток. Остальная часть материала распределяется по всей площади водоема. Рассчитанные величины слоя осадков, отложившихся летом 1979 и 1981 гг., оказались равными 29 и 8,4 мм соответственно в среднем по площади озера. Но они не раскрывают истины, так как распределение материала по площади дна неравномерно. Поэтому был произведен расчет мощности слоя осадков для центральной котловины, площадь которой ограничена 12-метровой изобатой, а объем поступающего твердого материала в 40 раз меньше общего количества взвеси (определено по сравнению величин мутности). При таком допущении рассчитанная мощность илов, отложившихся в 1979 г., составила 7,0 мм при плотности 0,58 г/см³ и 2,3 мм при плотности 1,7 г/м³; в 1981 г. - 20 и 0,65 мм при соответствующих величинах плотности. Расчет слоя осадка по накоплению его в осадкоулавливателе дал следующий результат для лета 1981 г.: 2,4 мм при плотности 0,58 г/см³ и 0,80 мм при плотности 1,7 г/см³.

При сравнении величин слоя осадка, полученных различными методами, выявляются их небольшие различия. К этому необходимо добавить тот факт, что толщина слоя осадков, непосредственно измеренная с помощью осадкоулавливателей, отражает только летнее осадконакопление и поэтому расхождения в вышеприведенных величинах должны быть несколько больше. Однако при сопоставлении вычисленных величин с мощностями верхних слоев илов, определенных при непосредственном их изучении после подъема на поверхность специальными грунтовыми трубками и высушивания, выявились близкие значения сравниваемых толщин. В пределах центральной котловины мощности верхних слоев илов колеблются от 0,7 до 0,8 мм (в уплотненном на воздухе состоянии плотность 1,73 г/см³). Во всяком случае, можно констатировать, что полученные расчетным путем величины вполне сравнимы и близки к истинным. Мощность сезонных слоев, отлагающихся в северной части озера в непосредственной близости от источников выноса обломочного материала, составляет 70-90 мм, а осадков, отлагающихся в южной и восточной частях озера, меньше, чем в центральной котловине.

Таким образом, в процессе исследования конкретного приледникового озера выявились следующие особенности режима осадконакопления:

1) количество материала, поступающего в приледниковый водоем, и величина слоя откладывающегося осадка главным образом зависят от погодных условий периода таяния, а именно от хода температуры воздуха, ветрового режима;

2) в условиях летнего ледостава на приледниковом озере поступление обломочного материала, выносимого талыми водами, происходит в основном по придонным слоям озерных вод;

3) распределение наносов по площади дна озера весьма неравномерно и находится в зависимости от рельефа дна водоема и ветрового режима в бассейне озера. Мощность отдельных годовых слоев зачастую не выдержана в пределах даже такого небольшого приледникового озера.

4) внутрисезонная слоистость в ленточных осадках приледникового бассейна образуется в условиях свободного ото льда водоема в результате чередования штормовых и спокойных периодов в ветровом режиме.

В методическом плане проведенные натурные работы показали, что процесс осадконакопления в приледниковом озере - явление сложное, зависящее от множества факторов, и прийти к пониманию его механизма возможно лишь при комплексном исследовании приледникового водоема и его бассейна, привлекая для этого ряд методов географической и геологической наук.

Summary

A complex investigation of a modern periglacial lake, including geomorphological, hydrological, meteorological observations and the bottom deposits study demonstrated the following: 1) a close connection of the amount of desintegrated material, carried into the lake by melt glacial waters, with the air temperature in the lake basin in summer time; 2) the irregularity of the deposit accumulation, even in a small periglacial basin, that depends on many factors (hydrological and meteorological conditions, the lake hollow morphology, etc.); 3) the presence of inner seasonal (along with the annual) schistosity in the varve deposits of the lake, that complicates the palaeogeographical constructions by varve analysis.

Литература

Боуэн Д. Четвертичная геология. М., 1981. 272 с.

Дафф П., Халлам А., Уолтон Э. Цикличность осадконакопления. М., 1971. 284 с.

Жемчужников Ю.А. Сезонная слоистость и периодичность осадконакопления. М., 1963. 72 с.

Зайцева Н.В. Ленточные глины Белоруссии. Минск, 1969. 215 с.

Макеев В.М. Ритмичность осадков приледниковых озер Северной Земли. - В кн.: Ритмика природных явлений. - Тез. докл. к III Всесоюз. совещанию по ритмам природных явлений. Л., 1976, с. 77.

Макеев В.М. Геоморфологические исследования Североземельской экспедиции ААНИИ на о. Октябрьской Революции в 1974-1976 гг. (краткий обзор). - Труды Аркт. и антаркт. науч.-исслед. ин-та, 1980, т. 367, с. 111-119.

Макеев В.М., Бердовская Т.И. Ритмичность осадконакопления в озерах Арктической зоны. - В кн.: История озер в голоцене. - Труды IV Всесоюз. семинара по истории озер: Тез. докл. Л., 1975, с. 163-169.

Макеев В.М., Малаховский Д.Б. Краевые образования современного и древнего оледенений Северной Земли. - В кн.: Краевые образования материковых оледенений. Киев, 1978, с. 128-133.

Марков К.К. Изучение ленточных глин с геологической точки зрения. - Природа, 1927, № 9, с. 679-696.

Окишев П.А., Рудой А.Н., Герасимов Н.Г. Ленточные отложения Чаган-Узуна и их палеогляциологическое значение. - В кн.: Гляциология Алтая. Томск, 1978, вып. 4, с. 43-65.

Пиррус Э.А. О внутрисезонной слоистости ленточных глин. - В кн.: Литология и стратиграфия, четвертичных отложений Эстонии. Таллинн, 1965, с. 73-84.

Пиррус Э.А. Ленточные глины Эстонии. Таллин, 1968. 143 с.

Шварцбах М. Климаты прошлого. Введение в палеоклиматологию. М., 1955. 284 с.

Шостакович В.Б. Слоистые иловые отложения и некоторые вопросы геологии. - Изв. Всесоюз. географич. о-ва, 1941, № 3, с. 393-405.

De Geer E.Н. The Cochrane glaciation varve dated by measurments in 1911 latest data in geochronology by Ebba Hult de Geer. - In: Report of the 21st Intern. geol. congress. Copenhagen, 1963, p. 27.

Кренке А.Н., Ходаков В.Г. О связи поверхностного таяния ледников с температурой воздуха. - В кн.: Материалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждения. М., 1966, № 12, с. 153-164.

Ссылка на статью: 

Большиянов Д.Ю. Осадконакопление в современном приледниковом озере (на примере оз. Изменчивого, архипелаг Северная Земля) // Вестник ЛГУ, геология, география, 1985, № 7, с. 43-50.