Гранты / РФФИ 02-05-64428 / 2002

«Катастрофические позднечетвертичные морские трансгрессии и их связь с эпохами экстремально высокого речного стока в бассейнах Понто-Каспия».

СОДЕРЖАНИЕ

Краткий отчет | Методы и подходы | Развернутый отчет | Основные результаты | Публикации | Исполнители |

Ключевые слова: палеогидрологические реконструкции, Фанагория, палеорусла, Хвалынское море, Манычский пролив, колебания уровня Черного и Азовского морей.

Краткий отчёт за первый год исследований (2002 г.).

Проведены полевые исследования: в Манычском прогибе и речных долинах Сейма, Дона, Калауса, Западного Маныча (изучение следов сверхполоводий), морских побережий Черного моря (Геленджикский шельф) и Таманского п-ова (голоценовые береговые валы и морские террасы), а также археологических стоянок Фанагория, Каменная балка, Авдеево, Быки в поисках следов морских трансгрессий и сверхполоводий.

Выполнены комплексные аналитические исследования полученных материалов.

Реконструированы характеристики Чограйского залива Раннехвалынского бассейна Каспия: уровень - до + 50 м абс., глубина более 25 м, соленость 10% и более.

Выявлена богатая фауна морских моллюсков (более 10 видов).

Реконструированы параметры Манычского пролива у с. Зунда- Толга: уровень - до +50, ширина - до 10 км, глубина - до 30 м, скорость течения - 0,2-0,3 м/сек, расходы - до 40- 60 тыс. м³/сек. Показана ошибочность оценки В. Бейкером объема стока через Манычский пролив, его ошибка составляет два порядка (200 раз).

Детализирована кривая колебаний уровня моря в голоцене: установлены циклы длительностью до 2,0 тыс. лет и амплитудой 15-25 м, а также более мелкие циклы - 300-400 лет с амплитудой до 3-4 м.

Выявлены связи колебаний уровня с культурными слоями Фанагории. Детально реконструирован ход гидрологических, почвенных и геоморфологических изменений в речных долинах Сейма, Дона, Калауса, получены данные о положении и возрасте осадков сверхполоводий.


Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта:

Основным методом палеогидрологических реконструкций для бассейнов Днепра, Дона и Волги является изучение параметров древних русел на поймах и низких речных террасах. В камеральных условиях составляется геоморфологическая карта ключевого участка долины, где по крупномасштабным топокартам и аэрокосмическим снимкам выделяются системы палеорусел.

Количественные реконструкции параметров водного стока будут проведены рядом методов:

1. Гидролого-морфологический метод. Строятся эмпирические связи между параметрами современных русел (ширина русла B, шаг излучин L) и характеристиками стока (среднегодовой, руслонаполняющий, среднемаксимальный, максимальный измеренный расходы воды). Далее решается обратная задача: по параметрам палеорусел определяются соответствующие характеристики стока. Ввиду степенного характера получаемых зависимостей (B*Q0,5; L*Q0,5) ранее применение этого метода к гигантским поздневалдайским палеомеандрам дало неправдоподобные результаты: реконструированные расходы воды на два порядка величин превышали современные (Dury, 1964; Панин и др., 1992), что не находит объяснения с палеогеографической точки зрения. В последние годы идет совершенствование данного метода. Созданы зависимости, учитывающие географическое разнообразие природных условий путем введения параметра неравномерности стока (Сидорчук и др., 1999). Получено, что квадратичные гидроморфологические связи для малых и средних рек трансформируются в квазилинейные для крупных рек (Завадский, Чалов, 1998). На этом основании впервые в палеогидрологических реконструкциях применены зависимости, полученные путем масштабной селекции массива данных по современным рекам (Panin, 2000).

2. Гидравлический метод. Площадь живого сечения устанавливается путем бурения палеорусел. Буровые поперечники располагаются на участках перекатов для соблюдения условия квазиравномерности скоростного поля потока. Это позволяет для расчета средней скорости применять формулу Шези. Входящие в нее параметры определяются следующим образом. Средняя глубина палеорусла устанавливается по буровым данным. Гидравлический уклон принимается равным современному уклону палеорусла по дневной поверхности рельефа (грубое, но неизбежное допущение). Коэффициент сопротивления определяется с использованием современной реки-аналога (с шириной, близкой к ширине изучаемого палеорусла и с близкой крупностью руслообразующих наносов). Другой способ определения средней скорости палеопотока - применение известных формул, связывающих неразмывающую скорость с крупностью руслообразующих наносов (например, формула Гончарова). Гидравлический метод позволит оценить расходы воды при разных уровнях руслонаполнения. Для определения максимальных расходов и уровней воды будут использованы метки высоких вод ю следы подмыва коренных и террасовых склонов, встречающиеся в вогнутых берегах палеомеандров.

3. Метод "пластовых" потоков. Проектом предусматривается выявление по топокартам и аэрофотоснимкам, а также на ключевых участках во время полевых работ ложбин стока, отдельных увалов и типичных бэровских бугров, последовательно сменяющих друг друга. Предполагается, что все эти формы представляют собой единый генетический ряд и являются своеобразными индикаторами существования "пластовых" потоков, образующихся при перетоке вод из Каспийского моря в Черное (Бадюкова, 2001). Согласно нашей гипотезе бэровские бугры сформировались на дне этих потоков под воздействием стационарных волн. Детальное изучение морфологии бэровских бугров позволит решить обратную задачу, так как, зная размеры донных форм можно рассчитать скорости течений, а также глубины потоков и их расходы.

4. Методы реконструкции динамики природных условий в речных и морских бассейнах:

Новым подходом является изменение представлений о структуре водного баланса в экстремальные трансгрессивные фазы развития бассейнов Понто-Каспия в пользу речного стока в отличие от традиционных представлений о влиянии ледниково-подпрудных водоемов.

Новым является также выдвигаемое предположение о связи миграций древнего человека и смен археологических культур с экстремальными гидрологическими явлениями.


Развернутый отчет.

1. Полевые работы.

Проведены полевые исследования в Калмыкии, Манычском прогибе, Таманском полуострове и долинах рек: Дон, Сейм, Маныч, Калаус. В долине Сейма изучен уникальный разрез Малютино с новыми обнажениями речных террас, отложениями сверхполоводий. Изучены паводковые цирки и разбурены макромеандры позднего плейстоцена и раннего голоцена. В Калмыкии исследованы осадки и морские террасы Чограйского залива Раннехвалынского бассейна Каспия и входа в Манычский пролив — долину сброса древне-каспийских вод.

Выявлены и описаны более 20 новых разрезов раннехвалынских отложений, отобраны образцы на литологический, химический, палеонтологический и радиоуглеродный анализы. В долине Дона обнаружен и описан новый разрез карангатских отложений в устьевой части долины, проведено колонковое бурение морских отложений и отобрано 50 образцов на разные виды анализов.

В дельте Кубани и на Таманском п-ове изучались голоценовые береговые валы, как следы высоких стояний уровня моря. Выявлено до 10 разновозрастных береговых валов в интервале последних 6 тыс. лет.

Проведено изучение материалов бурения на Геленджикском шельфе Черного моря: керны скважин и сейсмические профили.

Проведена детальная топосъемка и бурение скважин отложений позднеголоценового меандрового цирка в районе Малютино. Произведена детализация строения опорного разреза Малютино, отобраны образцы на спорово-пыльцевой, палеонтологический, радиоуглеродный, химический, гранулометрический анализы.

2. Лабораторно-аналитические работы.

Выявлены свидетельства колебаний уровня Черного моря и изменения экологического состояния морских бассейнов. Отобрано 350 литологических образцов из 30 разрезов. В ходе аналитических лабораторных работ выполнено более 100 прозрачных шлифов исследуемых пород; 15 образцов глин (фракция <0,001 мм) проанализированы рентгеновским методом; выполнено 90 химических анализов на следующие элементы: Cорг., CO2, Sвал., Cl, CaO, MgO. Параллельно были отмыты 15 образцов на микрофауну с выделением фракции <0,001 мм.

Детальное комплексное изучение отложений Чограйского залива Раннехвалынского моря позволило реконструировать характеристики этого древне-каспийского бассейна. Морские отложения прослежены до уровня 40-45 м абс, морской их характер подтверждается минералогией (аутигенный глауконит) и фауной моллюсков. Богатый видовой состав фауны морских моллюсков (до 10 видов) позволяет реконструировать соленость залива примерно 10ю и даже выше. Глубина бассейна на уровне +25 +30 м абс достигала не менее 25 м, что следует из большого количества раковин Didacna protracta (сейчас обитает в Каспии на глубинах 25-50 м и при солености выше 10‰). Изучение литологии нижнехвалынских отложений опорного берегового разреза Зунда-Толга позволило условно разделить толщу осадков на две генетически различающиеся пачки: нижнюю, алевро-глинистую, в подошве песчанистую, соответствующую субаквальным более глубоководным условиям, и верхнюю, более алевритовую, песчано-алеврито- глинистую, соответствующую субаквальным, но обмелевшим условиям седиментации, приведшим в конечном итоге к выходу осадков на дневную поверхность и образованию в кровле разреза горизонта погребенных почв. Повышенное распространение минерала глауконита в разрезе и ощутимые концентрации Cl в осадках (особенно в нижней части толщи ~ 0,8-1,2%) свидетельствуют об осолоненности бассейна. Повышение в средней части разреза Cорг. (от повсеместно фонового <0,1% до 0,10-0,12% в наиболее глинистых слоях позволяет говорить о вероятном потеплении и гумидизации климата в середине ранней хвалыни, что привело к сгущению берегового растительного покрова, задержанию сноса более грубого алевро-песчаного материала и поступлению в обилии растительного детрита в бассейн седиментации. Второй пик увеличения Cорг. в осадках (до 0,23-0,47%) соответствует верхним горизонтам древних почв, что вполне оправдано развитием почвенной растительности на поверхности осушенных осадков. Рентгеноструктурным анализом установлен состав глинистых образований, в целом достаточно однообразный по разрезу, с преобладанием гетерогенного тонкодисперсного смектита, слаборазбухающей гидрослюды с содержанием разбухающих пакетов 5-10%, и малой примесью каолинита и хлорита. В почвенных горизонтах смектит почти полностью утрачивает первичную структуру под воздействием бактерий и органо-минеральных кислот, переходя в рентгенаморфную (очень тонкодисперсную, бесструктурную) фазу. Некоторые признаки рентгенаморфного компонента получены и в образцах глин из нижней части разреза, но там это может быть связано с присутствием пеплового материала.

Выполнена корреляция палеопочвенных и палеогидрологических событий на основе сопоставления погребенных почв и аллювиальных толщ в долине Сейма (район Малютино - Авдеево) с использованием данных радиоуглеродного датирования. Получено семь 14C- дат: 27400±580, 12600±150, 3530±150, 490±140, 680±140, 4690±200, 2720±110, отразивших возраст основных этапов развития долины и русла Сейма. Погребенные почвы: послебрянская пионерная (не продатирована), беллинг-аллереда - (около 12600 л.н.), позднеатлантико-суббореальная (около 4700-2700 л.н.) и субатлантическая (не продатирована). Этапы катастрофического врезания русла и больших паводков (сверхполоводий - megaflootds) между 20000 и 13000 лет назад (возможно двух) и меньших паводков: после 2500, 1000 лет назад.

Проведен анализ космических снимков на долины среднего течения рек Егорлык и Калаус. Для обеих долин характерна широкая (до 3 км) поверхность днища, полвека назад представлявшего собой речную пойму. В настоящее время это незатапливаемая терраса, которую можно назвать антропогенной, т.к. она образована в результате роста стока и соответствующего врезания рек (на 3-4 м) после сброса вод Терско-Кумского и Б.Егорлыкского каналов в начале 1950-х гг. Значительная ширина террасы и строение разрезов аллювия в береговых ярах, полностью сложенных пойменной фацией, свидетельствует о значительной аккумуляции в долинах в течение голоцена - вплоть до антропогенно обусловленного врезания. Поверхность террасы преимущественно ровная вследствие погребения первичного руслового рельефа, что также указывает на длительный аккумулятивный режим. Местами в рельефе и на космоснимках все же читаются палеорусла. Наиболее детально они изучены на Калаусе. На космоснимках в районе райцентра Ипатово на антропогенной террасе Калауса Читается 2 генерации меандрирующих палеорусел: I - с шагом меандров 250-300 м и шириной палеорусла 40-50 м и II - соответственно 80- 100 м и 15-20 м. 1-я генерация по морфометрическим параметрам отвечает современному врезанному руслу Калауса, формирующемуся в условиях антропогенно повышенного стока (в 4-5 раз по сравнению с естественным). Палеорусла этой генерации практически не выражены в рельефе.

По аналогии с ранее изученными долинами центра и юга Европейской России (Панин и др., 2001 и др.), эти палеорусла можно считать доголоценовыми - поздневалдайскими. 2-я генерация палеорусел хорошо выражена в рельефе. Местами она вложена в большие меандры 1-й генерации, что фиксирует резкое уменьшение стока, которое произошло на рубеже голоцена или еще в позднеледниковье.

Для выяснения хронологии палеорусел и условий окружающей среды времени их формирования в обеих генерациях пробурено по скважине, каждая глубиной 9 м. Это заведомо больше нормальной мощности аллювия, которая для Калауса в естественных условиях составляет 4-5 м. Однако, обе скважины вскрыли однородную глинистую толщу без четких литологических признаков фациальной дифференциации. Это может быть следствием двух причин: а) скважины не дошли до русловой фации аллювия виду значительной мощности аккумулятивной толщи (маловероятно ввиду хорошей выраженности в рельефе палеорусел 2 генерации); б) своеобразия аллювиальных отложений данной реки виду чрезвычайно высокой ее мутности (Калаус - самая мутная река в России, "российская Хуанхэ"). Для прояснения ситуации выполняется гранулометрический анализ керна скважин. Для датирования удалось отобрать единственный образец на радиоуглерод - в палеорусле 1 генерации на глубине 4 м. Эта дата даст верхнюю границу возраста палеорусла. Оценку возраста палеорусел предполагается получить также по спорово-пыльцевым данным. Таким образом, в долинах рек Калаус и Егорлык фиксируется этап повышенного стока (в 4-5 раз больше современного естественного) в позднем валдае, который может быть сопоставлен с раннехвалынской трансгрессивной фазой Каспия. Хронология этапа повышенного стока уточняется.

3. Палеореконструкции.

На основе комплексных исследований реконструированы основные параметры Манычского пролива, по которым сбрасывались воды Раннехвалынского бассейна. При уровне примерно +50 м абс ширина пролива в самом узком месте в районе Зунда-Толга достигала 10 км, глубина не превышала 30 м, в среднем ю 20 м. Скорость течения, судя по осадкам (глины, алевриты), была низкой, порядка 0,2-0,3 м/сек. При таких параметрах расходы воды через живое сечение пролива могли составлять 40-60 тыс. м³/сек, что в 5-6 раз превышает средний расход Волги. Что касается солености, то она, судя по фауне моллюсков, не отличалась от солености Раннехвалынского бассейна и составляла более 10ю. Никаких признаков опреснения в основной толще ранней хвалыни не отмечается. Однако самая верхняя часть этих отложений залегает на глинах с заметным размывом и представлена песчано-алевритистыми отложениями.

В фауну моллюсков также происходят значительные изменения, из нее выпадают все дидакны, остаются только монодакны и адакны. Среди них отмечается абсолютное преобладание Hipanis plicata, присутствие очень редких Monodacna caspia. Это свидетельствует о резком снижении солености до 5-6ю и ниже.

Одновременно состав осадков и фауны свидетельствует о снижении глубины бассейна и уровня моря. Возможно, что это отложения более низкой стадии Раннехвалынского бассейна, когда уровень снизился до отметок +35 м, но не ниже +30 м.

Уточнен возраст раннехвалынской и позднехвалынской трансгрессий. На основе новых радиоуглеродных датировок, полученных в ходе реализации проекта, первая трансгрессия определена в интервале 16-13 тыс. лет, а возраст второй трансгрессии — около 13-10 тыс. лет.

Изучение голоценовых береговых валов и береговых линий в дельте Кубани позволило уточнить и детализировать кривую колебания уровня Черного и Азовского морей за последние 6 тыс. лет. Установлены циклы колебаний продолжительностью 1,5-2 тыс. лет и амплитудой 15-25 м. Это каламитская, джеметинская и нимфейская трансгрессии. Они в свою очередь осложнены более мелкими осцилляциями продолжительностью 300-400 лет и амплитудой всего 3-4 метра.

Исследование античного города Фанагория

В разрезе античного города Фанагория выявлены аналоги трансгрессивных фаз, которые представлены слоями с обилием раковин моллюсков. Это — фазы нимфейской трансгрессии 2300-2200 и 2100-1900 лет назад, когда полностью затапливался Таманский залив и морские воды подступали к стенам Фанагории. В регрессивные фазы, например в Фанагорийскую регрессию, этот залив осушался, морские воды уходили от города на десятки километров. В синхронных культурных слоях раковины морских моллюсков не встречаются. Так, колебания уровня моря отразились в культурных слоях античной Фанагории.

Проведен химический и фитолитный анализ природно-антропогенных отложений античного памятника Фанагория (разновозрастных культурных слоев). Разное соотношение содержания фосфора и углерода свидетельствует о степени антропогенной "насыщенности" - высокое содержание фосфора показывает на большую степень пищевых отбросов, среднее содержание фосфора и углерода - насыщенность жизни меньше, а высокое содержание углерода и низкое фосфора - естественное накопление органики, и фоновые невысокие содержания фосфора и углерода. Выявлено влияние колебаний уровня моря и береговой линии Таманского залива на формирование культурных слоев Фанагории: наличие раковин морских моллюсков совпадает по времени с трансгрессиями Черного моря и затоплением Тасманского залива. Культурные слои без раковин моллюсков синхронны эпохам регрессий и осушением Таманского залива.

Четко выделяется Фанагорийская регрессия - V-IV вв. до н.э. (исчезновение раковин моллюсков) и Нимфейская трансгрессия - III в. до н.э. - IV в. н.э. (по появлению крупных раковин устриц и мидий), с двумя осцилляциями.

Выделено несколько уровней древних террасовых поверхностей, связанных эпохами сверхполоводий.

Степень новизны полученных результатов:
Получены новые данные и выводы по палеогидрологии внутренних морских и речных бассейнов: - впервые получены количественные характеристики расходов в русле Манычского пролива (поперечник Зунда-Толга) на основе натурных наблюдений: 40-60 тыс. м³/сек; - впервые столь детально реконструирован ход гидрологических, почвенных и геоморфологических изменений в речных долинах (рр. Сейм, Дон, Калаус); выявленные эпохи сверхполоводий увязаны со строением речных террас и датированы радиоуглеродным методом; - впервые проведена прямая корреляция колебаний уровня моря с культурными слоями археологических памятников (античный город Фанагория); - впервые выделены трансгрессивно-регрессивные циклы двух порядков (1,5-2 тыс. лет и 300-400 лет) в голоценовых колебаниях уровня Черного моря.

Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем:

Полученные выводы по расходам стока в Манычском проливе показали ошибочность оценки стока, проведенной В. Бейкером на основе анализа космических снимков. При этом ошибка В. Бейкера составляет два порядка (200 раз). Эти результаты коренным образом меняют природу, масштабы и скорости гидрологических катастроф. Появляется возможность создания совершенно новой концепции эволюции внутренних морских бассейнов Евразии.


Публикации по результатам исследований:

Е.Н. Бадюкова. Высокая карангатская лагунно-трансгрессивная терраса Таманского полуострова и северо-восточного побережья Азовского моря. Журнал Геоморфология. сс. 61-70. Наука. 2002. Москва

Мурдмаа И.О., Чепалыга и др. Послеледниковые события на северо-восточном шельфе Черного моря. Журнал Океанология. Наука. 2002. Москва.


Исполнители проекта:

Чепалыга Андрей Леонидович — руководитель, ИГ РАН

Бадюкова Екатерина Николаевна — ИГ РАН

Павлова Елена Михайловна — ИГ РАН

Панин Андрей Валерьевич — МГУ, Географический факультет

Садчикова Тамара Александровна — ГИН РАН

Светлицкая Татьяна Валерьевна — ИГ РАН