ГНЦРФ Арктический и антарктический НИИ
Санкт-Петербургский государственный университет
ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт имени А.П. Карпинского»
Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
Геоморфологическое строение и новейшая тектоника дельты р. Лены
Д.Ю. Большиянов, А.О. Аксенов, А.С. Макаров, Е.И. Лазарева, С.А. Правкин, А.А. Черезова, М.Н. Григорьев
Санкт-Петербург, Якутск, Россия
Annotation
GEOMORPHOLOGICAL STRUCTURE AND NEOTECTONICS OF THE LENA DELTA D.Y. BOLSHIYANOV1, A.O. AKSENOV1,2*, A.S. MAKAROV1,2, E.I. LAZAREVA3, S.A. PRAVKIN1, A.A. CHEREZOVA3, M.N. GRIGORIEV4
1 State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia
2 Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russia
3 A.P Karpinsky Russian geological research institute, Saint-Petersburg, Russia
4 Melnikov Permafrost Institute SB RAS, Yakutsk, Russia
Keywords: geomorphology, Ice Complex, Lena Delta, neotectonics, sea-level fluctuations.
New data about geomorphological structure and neotectonic movements of the Lena Delta is presented. Thet are based on results of the Russian-German expeditions Lena-2013, Lena-2014, Lena-2015 and Lena-2018 and include geomorphological profiling with high quality satellite instruments and a number of radiocarbon dates on the Sobo-Sise, Kurungnakh, Jangylakh-Sis and Khardang-Sise islands. These islands consist of the Late Pleistocene Ice Complex (IC) remnants eroded by river and sea, and the first terrace of the Delta, which adjoins the remnants. The first terrace started to form 8,000 years ago in the western part of the Delta and was finally formed in the last millennium in the eastern part of the Delta. From the previous works, it is known that the western part of the Delta is higher than the eastern part. In our work, we explain it by the eneven movements of the Earth's crust in this region. The aim of the paper is to study the quantitative characteristics of the tectonic movements in the Lena River Delta. For this purpose we present the geomorphological schemes and descriptions of the islands mentioned and compare the terraces heights in the different parts of the Delta. In the Late Pleistocene, according to the heights of the IC remnants, the western part of the Delta rose 1 mm per year faster than its eastern part. In the Holocene the speed difference increased to approximately 2 mm per year, which is shown by the terrace surface's altitude. The amplitude between the western and eastern parts of this surface is about 4 m. Finally, according to 60-years observation period of the water level in the Laptev Sea, the modern speed difference of the western and eastern parts movement in the Lena Delta is 2 mm per year. As a result, we can observe changes in the main flow direction in the Delta channels from the Olenekskaya branch at the beginning of Holocene to the Bykovskaya branch today.
Аннотация
Ключевые слова: геоморфология, дельта Лены, колебания уровня моря, ледовый комплекс, неотектоника.
В данной работе представлены данные, полученные в результате экспедиций «Лена», в ходе которых было проведено геоморфологическое профилирование и отбор образцов для радиоуглеродного датирования на островах Собо-Сисё, Курунгнах, Джангылах-Сис и Хар- данг-Сисё, являющихся останцами позднеплейстоценовых отложений ледового комплекса с примыкающей к ним голоценовой террасой. Представленные на основе этих материалов результаты позволяют нам уточнить направления и скорости движений земной коры в дельте. Для этого составлены геоморфологические схемы островов с последующим описанием. Также определены амплитуда, скорости и направленность позднеплейстоценовых, голоценовых и современных тектонических движений. Выявлен тектонический перекос дельты с запада на восток, выражающийся в разном высотном положении поверхностей ледового комплекса и первой террасы.Установлено, что начиная с 20000 лет назад разница в скоростях движений между западной и восточной и западной частей составляла приблизительно 1 мм/год. В современную эпоху (с 2000 лет до н.э.) скорости увеличились до 2 мм/год, что было выделено по разнице высот первой террасы дельты. Это также согласуется и с данными уровнемерных наблюдений.
Введение
Неравномерность тектонических движений в дельте р. Лены, проявляющаяся в разных скоростях подъема поверхности восточной и западной частей дельты, отмечалась ранее [1]. В обобщающей работе по происхождению дельты [2] по разрезам четвертичных отложений приведены данные непосредственных наблюдений за перекосом земной поверхности в дельте и количественно охарактеризован процесс перераспределения современного стока воды в восточные и юго-восточные протоки дельты в результате новейших тектонических движений. В данной работе на основании значительно более точного геоморфологического профилирования с помощью спутникового геодезического оборудования, а также датирования первой террасы определены порядки скоростей неотектонических и современных движений земной коры в районе дельты р. Лены.
Одна из интереснейших особенностей дельты р. Лены -- поворот ее основного течения практически вспять при выходе из долины («ленской трубы»), стесненной горными сооружениями. Быковская протока течет на юго-восток, тогда как до разветвления у о. Столб направление течения реки Лены -- северо-западное. Уже по одному этому признаку понятно, что в дельте реки имеет место перекос земной поверхности, заставляющий столь крупный поток отклоняться в противоположном генеральному стоку направлении. Другая особенность дельты -- это наличие останцов более древних поверхностей, которые к собственно дельте не имеют отношения. Это останцы ледового комплекса пород и отдельный остров Арга-Муора- Сисё в северо-западной части дельты, представляющий собой останец аллювиально-морской равнины, поднятый тектоническими движениями выше уровня моря. Останцы ледового комплекса пород давно привлекают внимание исследователей, в частности, разновысотностью в западной и восточной частях дельты. В первой основательной работе о геоморфологическом строении дельты [1] делается вывод о том, что западная часть дельты приподнята относительно восточной. В недавней работе [2], посвященной происхождению и развитию дельты Лены, описаны наблюдения за постепенными изменениями положения контакта между породами ледового комплекса и подстилающими их песками в южной части о. Курунгнах. Это интерпретировано как результат тектонического перекоса. При рассмотрении количественных характеристик стока по протокам дельты стало очевидно продолжающееся перераспределение стока воды и наносов в юго-восточном направлении. Строение первой аллювиально-морской террасы дельты показало, что при значительных колебаниях уровня моря в голоцене сток реки мигрировал от северо-западного направления (Оленёкская протока) около 8000 лет назад через центральные протоки к юго-востоку. И это разворачивающееся к юго-востоку смещение основного стока реки происходило не только благодаря постоянному перекосу земной поверхности, но и из-за того, что еще в позднем голоцене река не могла стекать на юго-восток из-за перегораживающего влияния барьера останцов ледового комплекса, который разрушился лишь в самом конце голоцена около 1500 лет назад, когда и образовалась Быковская протока [2].
Рис. 1. Фрагмент топографической карты листа S-51,52 масштаба 1:1000000. Fig. 1. The fragment of the topographical map S-51,52, scale -- 1:1000000.
1 -- остров Харданг-Сисё, 2 -- остров Джангылах-Сисё, 3 -- остров Курунгнах, 4 -- остров Собо-Сисё
1 -- Khardang-Sise island, 2--Jangylakh-Sis island, 3 -- Kurungnakh island, 4 -- Sobo-Sise island
Задачами дальнейшего изучения геоморфологического строения дельты после понимания основных закономерностей развития дельты стали конкретизация и уточнение того, какие именно порядки скоростей движения земной коры имеют место в дельте Лены.
С этой целью в течение трех полевых сезонов в дельте изучались останцы ледового комплекса пород и прислоняющихся к ним массивов первой террасы по островам: Собо-Сисё, Курунгнах, Джангылах-Сисё, Харданг-Сисё (рис. 1).
Материалы и методика
Фактический материал для данного исследования был получен в ходе ряда российско-германских экспедиций «Лена», организованных ААНИИ, Институтом полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера (Германия) и Институтом мерзлотоведения (г. Якутск). В экспедиции «Лена-2013» проведены полевые работы на острове Курунгнах, включавшие в себя: геодезическое профилирование, описание разрезов четвертичных отложений и рельефа. В экспедиции «Лена-2014» проведены такие же работы на о. Собо-Сисё, в 2015 г. -- на островах Харданг-Сисё и Джангылах-Сис. В экспедиции «Лена-2018» снова отобраны образцы и проведены геоморфологические наблюдения на о. Собо-Сисё. Для геодезического профилирования использовались электронный тахеометр ZeissElta C30 фирмы SMI с точностью 3" и максимальным расстоянием 2500 м и GNSS приемник Leica GS10 с точностью определения высот до 25 см. Нивелировки выполнялись от уровня воды в протоках. Так как значения уровня воды в протоках дельты постоянно меняются, все нивелировки приведены к уровню водомерного поста полярной станции им. Ю.М. Хабарова (о. Столб) в дни построения профилей. Для каждой нивелировки вычислено превышение относительно отметки уровня в 317 см (уровень, наблюдаемый 10.08.2014, 17.08.2015 и 18.08.2015), после чего в профили введены поправки к нивелировкам, графические построения по которым оказались приведенными к уровню «317 см» над нулем водомерного поста полярной станции им. Хабарова (рис. 2). Также во время нивелирований устанавливались временные водомерные рейки, по которым отмечался ход уровня в протоках. В Оленёкской протоке ход уровня воды весьма изменчив в результате действия приливно-отливных и сгоннонагонных явлений, которые в восточных протоках существенно меньше влияют на ход уровня воды. Чтобы выявить роль этих явлений, были проведены уровенные наблюдения на о. Харданг-Сисё в период с 13 по 22 августа 2015 г. За этот период отметка уровня в Оленёкской протоке у о. Харданг изменялась в пределах ±18 см от нуля рейки. Поэтому приблизительная точность измерений высот террас относи- тельно уровня воды на водомерном посту станции им. Ю.М. Хабарова составляет ±0,2 м. Для точной оценки ошибки нет данных связки уровней водомерных постов на станции и в протоках.
Рис. 2. Примеры геоморфологических профилей на островах Харданг-Сисё, Курунгнах и Со- бо-Сисё. Fig. 2. Examples of geomorphological profiles on Khardang-Sise, Kurungnakh and Sobo-Sise islands.
А -- геоморфологический профиль, о. Харданг-Сисё, 17.08.2015; Б -- геоморфологический профиль, о. Курунгнах, 23.07.2013, В -- геоморфологический профиль, о. Собо-Сисё, 13.08.2014; 1 -- пойма, 2 -- первая терраса, 3 -- термокарстовые котловины, 4 -- ледовый комплекс
А -- geomorphological profile, Khardang-Sise island, 17.08.2015; Б -- geomorphological profile, Kurungnakh island, 23.07.2013; В -- geomorphological profile, Sobo-Sise island, 13.08.2014; 1 -- flood plain, 2 -- first terrace, 3 -- thermokarst basins, 4 -- ice complex
Геоморфологические схемы островов, объектов исследований, составлены на основе геоморфологических профилей геоморфологических съемок в вышеперечисленных экспедициях, а также с помощью дешифрирования спутниковых снимков Landsat-7. Для создания топоосновы взяты цифровая модель рельефа ArcticDEM университета Миннесоты с разрешением 32 м [3] и топографические карты Генштаба S-52-33_34, S-52-31_32, S-51-35_36, S-51-29_30, S-51-27_28 масштаба 1:200000 [4]. В итоге получены геоморфологические схемы островов Курунгнах и Собо-Сисё масштаба 1:200000 и геоморфологическая схема острова Харданг-Сисё масштаба 1:250000.
Для вычисления значений высот поверхностей террасы и аласов использованы геоморфологические профили экспедиций 2013, 2014 и 2015 гг. Выбраны участки профилей, проходящих через нужную поверхность, имеющиеся значения высот осреднены и экстраполированы. Таким образом, вычислены значения высот первой террасы для островов Собо-Сисё, Курунгнах, Джангылах-Сис и Харданг-Сисё. Возраст отложений террасы определялся по данным радиоуглеродного датирования, проведенного в Лаборатории геоморфологических и палеогеографических исследований полярных регионов и Мирового океана Института наук о Земле СПбГУ (индекс ЛУ+номер образца) [5]. Калибровка дат сделана в программе OxCal 4.3 с использованием калибровочной кривой «IntCal 13» [6]. Также использованы предшествующие опубликованные датировки [2,7]. Датировки, выполненные методом ИК-ОСЛ (инфракрасно оптически стимулированной люминесценции), получены в Таллиннском технологическом университете (индекс RLQG+номер образца) [8].
Результаты исследований
Геоморфологическое строение островов
Острова Харданг-Сисё, Курунгнах и Собо-Сисё представляют собой останцы пород ледового комплекса, к которым причленены поверхности других террас. Отложения первых двух островов состоят из нижней песчаной толщи и залегающими на них алевритами с растительными остатками, которые пронизаны мощными ледяными жилами. Эта верхняя пачка и называется ледовым комплексом пород (далее -- ЛК). Песчаная пачка о. Собо-Сисё скрыта под водами Сардахской протоки, как и на всех других останцах ЛК восточной части дельты. Время формирования песков определено методом датирования ИК-ОСЛ и составляет 88-65 тысяч лет назад. Нижняя часть пород ЛК формировалась 50-60 тыс. лет назад (л.н.), средняя 45-25 тыс. л.н. и верхняя 23-12 тыс. л.н. [2]. По этим данным формирование подстилающих ЛК песков происходило в морском бассейне в условиях достаточной глубины для того, чтобы осадки не промерзали. А породы ЛК формировались в обмелевшем бассейне, где вместе с осадконакоплением алевритов и песков происходило их промерзание, что привело к формированию мощных ледяных жил. Гипотеза морского происхождения ЛК не поддерживается большинством исследователей, но имеет достаточное количество фактов, изложенных в книге, посвященной этой проблеме [2]. Новые факты позволяют продолжать утверждать, что формирование ЛК происходило под влиянием моря. Так, последние независимые данные о геохимическом составе пресных вод озер, развитых на останцах ЛК, показывают, что в них велики концентрации таких элементов, как Na, Cl и Sr [9], что убедительно доказывает проникновение морских вод в бассейн, в котором формировались отложения ЛК, играющие теперь важную роль в минерализации пресных озерных вод. Поверхность отложений ЛК является по существу террасой, и после того как она сформировалась, она была одновысотной на территории всей дельты. Это допущение необходимо принять для выполнения дальнейших реконструкций деформаций поверхности в результате тектонических движений. Но это и геоморфологическое доказательство формирования ЛК как прибрежно-морской террасы.
Остров Собо-Сисё (рис. 3) расположен в юго-восточной части дельты Лены. Он вытянут в широтном направлении. Его длина достигает 62 км, ширина -- до 20 км. Максимальная высота острова -- 42 м. С юга остров омывается протоками Корю- элях-Уэся, Кубалыр-Уэся и Чочур-Буор-Уэся, на севере -- Сардахской протокой.
Денудационно-эрозионный останец острова имеет высоты в пределах 20-40 м. Он представляет собой грядовое повышение с наиболее высокими отметками в осевой части острова. Значительную часть его поверхности определяет термокарстовый рельеф. Наиболее крупные котловины приурочены к северной, северо-западной частям острова, где они сливаются между собой в единые комплексы. Высота таких комплексов от уреза воды составляет 5-10 м. В восточной части высота останца уменьшается до 10-20 м и сложена иными осадками по сравнению с ЛК основной части острова. Здесь представлены пески и алевриты с растительными остатками, откладывавшимися в водоеме. Возраст растительных остатков 16630±130 л.н. (ЛУ- 4913) с высоты 5 м над уровнем реки-залива воспринимался как ошибка датирования, так как общепринятая точка зрения о том, что в сартанское время позднего неоплейстоцена уровень моря был значительно ниже современного, не позволяла рассматривать отложения как осадки сартанского бассейна, связанного с морем. Отложения были снова датированы с помощью метода ИК-ОСЛ. Возраст песков и алевритов оказался равным 14,8±1,2 тыс. л.н. (RLQG 2394-125). Вторая датировка подтвердила первую, и теперь можно достаточно обоснованно утверждать, что накопление отложений в бассейне с более высоким стоянием уровня вод относительно современного происходило здесь в сартанское время. Во всяком случае, восточная пониженная часть о. Собо-Сисё представлена отложениями иного возраста по сравнению с ЛК. Это геологическое тело прислонилось к разрушаемому останцу ЛК, как позже произошло с поверхностью первой террасы.
Рис. 3. Геоморфологическая схема о. Собо-Сисе.
Fig. 3. Geomorphological scheme of Sobo-Sise island.
1 -- изолинии, через каждые 10 м, 2 -- реки, ручьи, 3 -- озера, старицы, протоки, 4 -- термоэрозионные долины, 5 -- булгунняхи, 6 -- эрозионно-денудационный останец, сложенный отложениями ледового комплекса (20-40 м), 7 -- поверхность высотой 10-20 м, 8 -- термокарстовые котловины (6-8 м), 9 -- периодически затопляемые термокарстовые котловины (5-6 м), 10 -- первая терраса (2-9 м), 11 -- речная пойма (0-2 м), 12 -- песчаные отмели
1 -- isolines, every 10 m, 2 -- rivers, small streams, 3 -- lakes, oxbows, channels, 4 -- thermoerosional valleys, 5 -- pingos, 6 -- ice complex remnant (20-40 m), 7 -- surface 10-20 m high, 8 -- thermokarst basins (6-8 m), 9 -- occasionally flooded thermokarst basins (5-6 m), 10 -- first terrace (2-9 m), 11 -- flood plain (0-2 m), 12 -- sandy bars