Позднечетвертичная история развития самого широкого в Мировом океане Восточно-Сибирского шельфа (ВСШ) характеризуется рядом крупных событий, оказавших сильное воздействие на состояние природной среды региона. Наиболее существенные изменения произошли во время сартанской регрессии моря (18-16 тыс. лет назад), когда береговая линия сместилась до глубины 100 м окраины современной материковой отмели. На осушенном шельфе в криогенных условиях морфолитогенеза с сухим холодным климатом формировались толщи лессово-ледовых (едомных) отложений [Лоция…, 1997; Гаврилов и др., 2003]. Послеледниковая голоценовая трансгрессия моря (начало около 12 тыс. лет назад) привела к затоплению приморских равнин и обособлению их возвышенностей в острова. Так на шельфе появились высокольдистые острова, известные как «Земля Васема», «Земля Санникова», «Земля Андреева» [Гаврилов и др., 2003; Гаккель, 1958]. Согласно кривой гляциоэвстатических колебаний уровня восточно-арктических морей, «Земля Васема» стала островом примерно 8-7 тыс. лет назад. На рубеже 6-5 тыс. лет назад уровень моря стабилизировался и в береговой зоне активизировались процессы тепловой и гидродинамической абразии [Арэ, 1998]. Уже к 1815 г. на месте острова существовало только мелководье, названное гидрографами Семеновским с относительно небольшими о-вами Васильевский, Семеновский, но и они к 1950 г. перешли в состояние подводных банок [Гаккель, 1958].

Цель нашей работы - выявить особенности современного морфолитогенеза на Семеновском мелководье (СМ) – наиболее крупном останце позднеплейстоценового субаэрального рельефа с минимальными глубинами 0.8-1.0 м [Лоция…, 1997]. В своих современных очертаниях по изобате 10 м мелководье расположено в 130 км к северо-востоку от дельты Лены. Его протяженность 85 км, площадь около 3 тыс. км². Ранее авторы получили новые данные о современном состоянии банки Диомида – таком же, как Семеновское мелководье, останце позднеплейстоценового субаэрального рельефа, но площадью почти в 330 раз меньше [Дударев и др., 2008]. Подобные исследования крайне важны для понимания факторов, контролирующих темпы деградации субаквальной мерзлоты Восточно-Сибирского шельфа в контексте дестабилизации законсервированных «панцирем» многолетней мерзлоты газовых гидратов [Шахова и др., 2009; Shakhova et al., 2014] и вовлечения органического вещества едомных отложений в современный биогеохимический цикл [Charkin et al., 2011; Semiletov et al., 2011; 2012]. Наша работа основана на результатах океанографической экспедиции, выполненной в сентябре 2005 г. лабораторией арктических исследований ТОИ ДВО РАН в сотрудничестве с Международным арктическим научным центром Университета Аляски (МАНЦ, Фэрбанкс, США) на малотоннажном судне «Ауга». Для обеспечения безопасности мореплавания в мелководном районе исследований и получения при этом максимума научной информации разрез в 140 км был проложен между склонами банок Семеновская (ст. 111) и Васильевская (ст. 112) по направлению 230° (рис. 1). Подводный рельеф изучали с помощью судового навигационного эхолота «FURUNO». Регистрацию параметров термохалинной структуры водной толщи обеспечивали CTD-зондом «SBE19plus». Донные осадки отбирали дночерпателем типа Van Veen, взвесь выделяли на фильтры с диаметром пор 0.4 мкм. Аналитические исследования осадочного материала выполняли в лабораториях ТОИ ДВО РАН, МАНЦ [Дударев и др., 2008; Semiletov et al., 2011; Давыдов и др., 2011].

Рельеф дна. Профили верхней части ортогональных склонов Семеновского мелководья (глубины менее 15 м) квазисимметричны относительно друг друга. Северо-восточный - слабо выпуклый и более пологий по сравнению с юго-западным перегиб поверхности находится на гипсометрическом уровне 8.8 м. Юго-западный склон имеет бóльшие уклоны и слабовогнутый профиль, а перегиб поверхности здесь заглублен до 7.2 м.

Относительно пологие склоны изрезанного рельефа с перепадами глубин до 0.9-1.3 м, вероятно, отражают серии подводных валов, образующихся в зоне разрушения волнения. Крутые склоны понижений рельефа, скорее всего - последствия экзарационной деятельности торосов. Во время экспедиционных наблюдений лабораторией арктических исследований ТОИ ДВО РАН в 2008-2012 гг. на шельфе восточно-арктических морей обнаружено множество борозд выпахивания днищами и килями торосов [Semiletov et al., 2012]. C глубины 15 м склоны начинают выполаживаться и далее плавно переходят в аккумулятивно-эрозионную морскую равнину.

Термохалинная структура вод района наблюдений определялась взаимодействием речных и шельфовых вод. На всем протяжении разреза с юга на север соленость (S) и температура (Т) поверхностных вод варьировали в диапазонах 12.6-16.6‰ (горизонтальный градиент 0.04‰/км) и 3.4–2.5°С (или 0.01°С/км) соответственно. Слой сезонного скачка солености был заглублен до 15 м - гипсометрического уровня нижней части склона Семеновского мелководья, вследствие чего водная толща на меньших глубинах имела однородную термохалинную структуру. Ниже горизонта 20 м залегали придонные шельфовые воды (S = 31.6‰, T = 1.9°С), а над равниной южнее мелководья - остаточные воды прошлой зимы с отрицательной температурой (S = 32.0‰, T = –1.2°С) (рис. 2; табл. 1).

Мобилизация и перенос осадочного материала. В результате волновой ресуспензии под воздействием северо-восточного ветра более 15 м/с над северной частью Семеновского мелководья сформировалось поле повышенного содержания взвеси. Взвесенесущий поток перемещался в юго-западном направлении со скоростью до 35–50 см/с (данные получены по спутниковым обсервациям дрейфа автономных буйков). В условиях штормового перемешивания такой скорости может быть достаточно для срыва со дна и вовлечения в транспортировку частиц до 0.5–1.0 мм [Лонгинов, 1973]. Усилению донной эрозии способствует и ослабление силы сцепления между частицами за счет повышенного содержания в осадках песчаной фракции (среднее содержание 50.1%). Затухание шторма в дальнейшем привело к прекращению ремобилизации частиц со дна, что отразилось на снижении их содержания в водной толще от 26.3 мг/л на севере мелководья до 10.0 мг/л на юге. По этой же причине вблизи Васильевской банки содержание взвеси уменьшилось еще вдвое (до 4-5 мг/л). Данные по литологической структуре осадков указывают на относительный дефицит тонкозернистого материала в этом районе. Доля пелитовой фракции в осадках банки в среднем 3.4%, тогда как песчаной до 69.1% (рис. 2, 3; табл. 1, 2).

За пределами Семеновского мелководья содержание взвеси в поверхностных водах не превышало 1.6–2.9 с тенденцией увеличения ко дну до 6.5–8.7 мг/л (рис. 2а, б, 3а; табл. 1). При наличии плотностной стратификации (характерной для подверженной сильному влиянию речного стока значительной части акватории Восточно-Сибирского шельфа [Semiletov et al., 2011; 2012; Pipko et al., 2011]), ограничивающей вертикальный водообмен, придонный максимум взвеси мог сформироваться вследствие кратковременного разрушения пикноклина, что возможно во время штормов. Интенсивное волновое перемешивание также способно привести к эффективной вентиляции вод и дополнительному прогреву системы «придонная вода–донные осадки». Это обстоятельство крайне важно для понимания факторов, ответственных за термическое состояние донных осадков и глубины залегания кровли подводной мерзлоты, что в свою очередь критично для дестабилизации нижезалегающих гидратов [Шахова и др., 2009; Shakhova et al., 2014].

Литологическая структура донных осадков (типизация на основе классификации [Безруков и др., 1960]) на разрезе отражает характер морфолитогенеза на различных гипсометрических уровнях. Пелитовые илы (глубина 25 м) вскрыты на поверхности аккумулятивно-эрозионной равнины к югу от Семеновского мелководья. С противоположной стороны мелководья залегал пелит алевритовый (глубина 27 м). Плохая сортированность последнего указывает на поступление осадочного материала, мобилизованного из других источников. Агентами транспортировки могут быть линзы с ремобилизованной взвесью, оторванные от поверхности мелководья во время штормов, и ледовый разнос. Слои терригенного криозоля в толще взломанного припайного льда авторы наблюдали в середине июля 2014 г. на удалении нескольких сотен километров от побережья моря Лаптевых с борта шведского ледокола «Оден» (www.su.se/swerusc3).

Осадки мелководья более крупнозернистые по сравнению с таковыми прилегающей аккумулятивно-эрозионной равнины. При неоднородном рельефе за счет притока воды к возвышенным участкам и оттока к их краям здесь может развиться специфическая горизонтальная циркуляция типа градиентных струйных течений [Лоция…, 1997; Лонгинов, 1973]. Такие потоки трансформируют волновое поле и литодинамический режим, поэтому формирующиеся осадки плохо сортированы. К ним относятся миктит алевритовый (глубина 7 м) и приуроченный к понижениям в рельефе дна алеврит песчаный (глубина 10 м). На склоне Васильевской банки (глубина 7–9 м) развиты умеренно сортированные мелкозернистые пески со средним содержанием модальной группы фракций 69.1% (медианной подфракции 63.0%). Пояс осадков CМ с содержанием песчаных фракций до 69% не опускается ниже гипсометрического уровня 15 м, в чем проявляется связь с особенностями вертикальной плотностной стратификации вод. К подножью мелководья приурочена зона накопления алеврита пелитового (глубина около 17 м); появляется окисленный слой, свидетельствующий об изменении условий седиментации и диагенеза в стратифицированных водах (рис. 2в; табл. 2).

Элементный и изотопный составы взвеси и донных осадков. Донные осадки мелководья имеют невысокое содержание С_орг (среднее х = 0.1%) и характеризуются его относительно тяжелым изотопным составом (δ¹³С = –24.4...–23.7‰, х = –24.1‰) по сравнению с другими участками Восточно-Сибирского шельфа [Semiletov et al., 2012], что, вероятно, обусловлено вымыванием тонкодисперсных фракций, обогащенных С_орг. Содержание общего азота в песках Васильевской банки на уровне аналитического нуля может свидетельствовать не только о последствиях отмеченного эффекта, но и о высокой степени биодеградации органического материала. Вклад терригенного источника С_орг в его суммарный пул (ТОС), рассчитанный по методу изотопно-материального баланса [Галимов, 1981], 45–57% (х = 51%). Считая маркерами терригенного и морского С_орг соответственно δ¹³С = –21, δ¹³С = –27‰, можно сделать вывод о сопоставимом вкладе аллохтонного и автохтонного источников, как, например, в восточной части Восточно-Сибирского моря. Здесь в результате ослабления вдольберегового переноса с запада и усиления влияния притока трансформированных тихоокеанских вод происходит замещение терригенного источника С_орг морским планктогенным [Semiletov et al., 2011; 2012]. Вклад С_орг в донные осадки шельфа моря Лаптевых вблизи термоабразионных берегов до 100% [Charkin et al., 2011; Semiletov et al., 2011; 2012].

В илах аккумулятивно-эрозионной равнины содержание С_орг увеличено более чем на порядок (х = 1.4%) и отмечено некоторое облегчение его изотопного состава (х = –25.3‰). Учитывая значения C/N (х = 11.5) и ТОС (х = 72%), можно предполагать усиление влияния терригенного источника. Его доминирующий вклад прослеживается и во взвеси вод над мелководьем (δ¹³С = –27.3‰, C/N = 9.5, ТОС = 90%) и аккумулятивно-эрозионной равниной (рис. 3б–г; табл. 3).

Анализ современных очертаний Семеновского мелководья свидетельствует о наибольшем врезе в его морфоскульптуру с южной и юго-восточной сторон, в меньшей степени – с запада. Слабо выпуклый и пологий профиль с неизрезанной выровненной бровкой северного склона позволяет предположить, что он мало изменился за период субаквальной экспозиции (рис. 2а). Это означает более сильное эрозионное воздействие часто повторяющегося волнения южных направлений [Лоция…, 1997; Charkin et al., 2011]. Не менее важным представляется фактор теплового воздействия шлейфа стоковых вод Лены [Дударев и др., 2008; Shakhova et al., 2014].

На основе вышеизложенного можно прийти к выводу о том, что в пределах Семеновского мелководья существуют аседиментогенные эрозионные и аккумулятивно-эрозионные участки. Первые маркируются реликтовыми песчаными осадками, образовавшимися в результате размыва первично алевритовой осадочной толщи с дефицитом песчаного материала. За время нахождения мелководья в области волнения размерный состав едомной толщи втрое обеднел частицами фракции мельче 0.01 мм, тогда как содержание песчаной фракции увеличилось примерно в 70 раз. Это важная особенность формирования литологической структуры осадков реликтовых банок Восточно-Сибирского шельфа.

Состав органического материала донных осадков на всем протяжении 140 км разреза через Семеновское мелководье выделяется смешанным генезисом, в отличие от преимущественно терригенного состава взвеси С_орг, характерного для большей части мелководного Восточно-Сибирского шельфа [Charkin et al., 2011; Semiletov et al., 2012]. Доля терригенной компоненты С_орг может усиливаться не только за счет продуктов эрозии берегового ледового комплекса, поставляемого в шельфовые воды сгонными течениями, но и вследствие вымывания из донных осадков реликтовой органики. Влиянием вышеперечисленных факторов может регулироваться и интенсивность поступления в донные осадки С_орг из терригенного источника. На мелководье терригенный материал аккумулируется в западинных формах рельефа и ложбинах, а его выведение из транзита и седиментация, вероятно, обусловлены эффектом торможения взвесенесущего потока о поверхность мелководья. Усиление морского сигнала С_орг в осадках мелководья можно объяснить развитием планктонных сообществ в области влияния транзитных стоковых вод Лены с повышенным содержанием биогенных элементов. Подтверждение данного вывода – обилие пресноводных и солоноватоводных бентических диатомей (до нескольких десятков тыс. экз./г), свидетельствующее об их избирательности к комфортным условиям обитания. В своем большинстве раковины диатомей по размерам попадают в алевритовую фракцию, среднее содержание которой в осадках Семеновского мелководья 44% (табл. 1).

Эпицентры мутности на спутниковых изображениях приурочены к вершинам Васильевской, Семеновской банок и свидетельствуют об их близком расположении к поверхности моря. Вероятно, в течение последних 20 лет с момента последнего навигационного промера глубины над банками практически не изменились. В пользу этого указывают результаты визуальных наблюдений в сентябре 2013 г. с вертолета: в точке с координатами вершины Васильевской банки была обнаружена песчаная осушка около 150 × 150 м. Возникновение этого природного феномена, скорее всего, обусловлено кратковременной денивеляцией уровня поверхности юго-восточной части моря Лаптевых. Такая обстановка обычно возникает в результате сильного сгона воды на фоне сизигийной фазы приливного цикла, как, например, в октябре 1993 г. [Арэ, 1998].

Несмотря на потери тонкозернистого материала в результате вымывания, Семеновского мелководья до сих пор – локализованный источник осадочного вещества в юго-восточной части моря Лаптевых, откуда этот материал транспортируется в линзах оторванных вод. Единовременный объем такого материала по нашим оценкам около 281 тыс. т при объеме средней линзы 15.3 км³.

Вследствие своих размеров, расположения, рельефа Семеновское мелководье также – один из эпицентров сосредоточения торосов припайного льда на Восточно-Сибирском шельфе. Глубина килей ледяных глыб по результатам инструментальных наблюдений может достигать 4–14 м при толщине припайного льда около 2 м [Давыдов и др., 2011]. Можно считать, что торосы на мелководье не только важный рельефообразующий фактор (подтверждение – экзарационные борозды). Они также обеспечивают устойчивость мелководья к термокарсту и просадочным деформациям. Участки дна Семеновского мелководья, на которых большую часть года залегают торосы, вероятно, наименее подвержены деградации подводной мерзлоты, типичной для Восточно-Сибирского шельфа в целом. При неглубоком протаивании в условиях короткого арктического лета новообразования подводной мерзлоты могут служить одним из основных факторов сохранения едомной толщи, еще, возможно, существующей под слоем переработанных морем ее верхних горизонтов. Так, например, результаты бурения прибрежной зоны юго-восточной части моря Лаптевых показали, что при глубинах моря более 4 м кровля подводной мерзлоты заглублена по крайней мере до уровня -60 м от поверхности дна [Shakhova et al., 2014].

Из вышеизложенного следует, что стагнация процесса разрушения Семеновского мелководья - редкий пример консервации едомной толщи, что крайне важно для понимания механизмов, контролирующих замедление скорости деградации затопленной плейстоценовой суши (исторически называемой «Землей Васема») по сравнению с другими районами Восточно-Сибирского шельфа. При выполнении тесно взаимосвязанной цепочки природных событий - сохранении тренда современного потепления, дальнейшего отступания к северу границы дрейфующих льдов, увеличения длины разгона и силы штормового волнения – следует ожидать усиления деформаций мелководного рельефа и темпов его деградации.

Результаты исследований дают новые представления о характерных особенностях эволюции субаквальной мерзлоты и могут быть полезны при проведении геоинженерных изысканий по трассе Северного морского пути, планировании разведки и добычи углеводородных ресурсов в восточно-арктических морях.

Работа осуществлена при финансовой поддержке грантов Правительства Российской Федерации (№ 14Z50.31.0012), Президента Российской Федерации (№ МК–2575.2014.5), РФФИ (№ 13–05–12041 офи-м, № 13–05–12028 офи-м, № 14–05–00433а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лоция моря Лаптевых / Под ред. И.И. Пекальниса. Л.: Изд-во ГУНиО МО РФ, 1997. 278 с.

2. Гаврилов А.В., Романовский Н.Н., Хуббертен Х.В., Романовский В.Е. Распространение островов – реликтов ледового комплекса - на Восточно-Сибирском арктическом шельфе Криосфера Земли // Криосфера Земли. 2003. Т. 7. № 1. С. 18-32.

3. Гаккель Я.Я. Разрушение острова Семеновского. В кн.: Проблемы Арктики. Л.: Морской транспорт, 1958. В. 4. С. 95-97.

4. Арэ Ф.Э. Термоабразия берегов моря Лаптевых и ее вклад в баланс наносов моря // Криосфера Земли. 1998. Т. II. C. 55-61.

5. Дударев О.В., Чаркин А.Н., Семилетов И.П. и др. О современном состоянии подводных островных реликтов на Восточно-Сибирском шельфе // ДАН. 2008. Т. 419. № 2. C. 254-261.

6. Шахова Н.Е., Сергиенко В.И., Семилетов И.П. Вклад Восточно-Сибирского шельфа в современный цикл метана // Вестн. РАН. 2009. Т. 79. № 6. С. 507-518.

7. Shakhova N., Semiletov I., Leifer I. et al. Ebullition and storm-induced methane release from the East Siberian Arctic Shelf // Nature Geosci. 2014. Vol. 7. P. 64-70.

8. Charkin A.N., Dudarev O.V., Semiletov I.P. et al. Seasonal and interannual variability of sedimentation and organic matter distribution in the Buor-Khaya Gulf: the primary recipient of input from Lena River and coastal erosion in the southeast Laptev Sea // Biogeosciences. 2011. V. 8. P. 2581-2594.

9. Semiletov I.P., Pipko I.I., Shakhova N.E. et al. Carbon transport by the Lena River from its headwaters to the Arctic Ocean, with emphasis on fluvial input of terrestrial particulate organic carbon vs. carbon transport by coastal erosion // Biogeosciences. 2011. V. 8. P. 2407-2426.

10. Semiletov I.P., Shakhova N.E., Sergienko V.I. et al. On carbon transport and fate in the East Siberian Arctic land–shelf–atmosphere system // Environ. Res. Lett. 2012. V. 7. 015101.

11. Давыдов А.А., Дейнека С.П., Ким А. Обнаружение стамух на акватории Восточно-Сибирского и Карского морей при помощи данных ДЗЗ // Земля из космоса. Наиболее эффективные решения. 2011. В. 10. С. 40-43.

12. Лонгинов В.В. Очерки литодинамики океана. М.: Наука, 1973. 264 с.

13. Pipko I.I., Semiletov I.P., Pugach S.P. et al. Interannual variability of air-sea CO2 fluxes and carbon system in the East Siberian Sea // Biogeosciences. 2011. V. 8. P. 1987-2007.

14. Безруков П.Л., Лисицын А.П. Классификация осадков современных морских водоемов // Тр. Ин-та океанологии. АН СССР. 1960. Т. 32. С. 3–14.

15. Галимов Э.М. Природа биологического фракционирования изотопов. М.: Наука, 1981. 247 с.

Ссылка на статью:

Дударев О.В., Чаркин А.Н., Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Сергиенко В.И., Пипко И.И., Пугач С.П., Черных Д.В. Особенности современного морфолитогенеза на шельфе моря Лаптевых: Семёновское мелководье («Земля Васема») // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462. № 2. С. 223-229.