Палеоэкологические реконструкции для последней терминации и голоцена на основе озёрных отложений Молого-Шекснинской низменности. Аспирантура СПбГУ: 2017-2020 гг.

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

описание

Работа по заявленной теме является необходимой составляющей частью исследования при подготовке выпускной квалификационной работы «Временные границы, пространственное распространение и природно-климатические условия приледникового Молого-Шекснинского озера» и кандидатской диссертации, выполняемых автором в рамках обучения по программе аспирантуры «Геоморфология и эволюционная география» (Институт наук о Земле, СПбГУ). Центральную часть района исследований – Молого-Шекснинской низменности – занимает Дарвинский государственный природный биосферный заповедник (общая площадь 112 тыс. га), где автором в рамках работы по государственному заданию, согласно должностным обязанностям младшего научного сотрудника, ведется тема научно-исследовательской работы. Для успешного написания диссертации на соискание степени кандидата географических наук и для выполнения государственного задания в заповеднике существенное значение имеет проведение детальной лабораторной обработки образцов озёрных и озёрно-ледниковых осадков. Актуальность данной работы обусловлена большой методической и общенаучной ценностью, и ключевым этапом обработки материала является лабораторная обработка полевого материала. Аналитические работы по колонкам отложений из Молого-Шекснинской низменности составляют обширный пласт информации, являющейся опорным звеном для составления базовых выводов о палеоклимате региона и о характеристиках приледникового бассейна в неоплейстоцене. Прохождение стажировки в Кёльнском университете обеспечит возможность выполнения необходимых видов анализов на современном высокоточном оборудовании. Коллектив лаборатории Института геологии и минералогии университета Кёльна под руководством проф. Меллеса – ведущие исследователи мирового уровня в области палеолимнологии и геохронологии, участники таких крупных проектов как PLOT (Paleolimnological Transect), TOWUTI (Lake Towuti Drilling Project), Ohrid (Lake Ohrid Drilling Project), и авторы многочисленных публикаций, посвященных вопросам реконструирования палеогеографических обстановок в разных частях земного шара по результатам анализов озёрных отложений. Существенное преимущество лаборатории Института геологии и минералогии университета Кёльна – возможность выполнения первичной обработки кернов озёрных отложений на высоком уровне в одном научном центре; в России в настоящее время таких аналитических центров, совмещающих обширные технические возможности в одном месте, не существует. Большим преимуществом при подготовке диссертации будет освоение передовых методов анализа и обработки колонок озёрных отложений, и адаптация этого опыта к исследованиям приледниковых водоемов Северо-Запада Русской равнины.
Почему Молого-Шекснинская низменность?
К Молого-Шекснинской низменности относят регион, включающий в себя современную акваторию Рыбинского водохранилища и область частично абрадированной плоской озерно-ледниковой равнины с элементами холмисто-моренного рельефа к северо-западу, ограниченная Шекснинско-Сухонским плато, Овинищенской возвышенностью, Вепсовской возвышенностью и Андогской грядой. Ныне обильно заболоченная и заозеренная Молого-Шекснинская низменность приурочена к понижению в коренных породах, вытянута и наклонена к юго-востоку, протяженность ее с севера на юг – около 190 км, с запада на восток – около 50 км. Приуроченность границы оледенения в поздневалдайское время к Молого-Шекснинской низменности определяет научно-исследовательскую значимость региона, поскольку мнения разных авторов о точном проведении максимальной границы стадий последнего ледника сильно различаются, устанавливая ее в пределах Молого-Шекснинской низменности от юга Рыбинского водохранилища – 58° N (Ауслендер, 1965) до середины бывш. нижнего течения рр. Мологи и Шексны (Шик, 2010) и до линии г. Бабаево – г. Кадуй – 59,3° N (Архангельский, 1956). По указаниям некоторых авторов (Чеботарева, 1962, 1963), граница валдайского оледенения «теряется в Молого-Шекснинской низине». До последнего времени граница оледенения в районе исследования устанавливались в основном по формам конечно-моренного рельефа, палеоботаническим и палеонтологическим данным, структурно-литологическим особенностям толщи четвертичных отложений. В силу разрозненности фактических материалов и результатов интерпретации аналитических данных различаются и упоминающиеся в литературе стратиграфические схемы четвертичных отложений для территории Молого-Шекснинской низменности. В ходе исследования предполагается конкретизировать границу бологовской и едровской стадий валдайского оледенения в центральных частях Молого-Шекснинской низменности – в междуречье рр. Мологи и Шексны, на заболоченных озерно-ледниковых террасах 102-106 м и грядах 114-118 м абс. выс. (территория Дарвинского государственного природного заповедника) – с использованием радиоуглеродного датирования AMS-методом. Это позволит с достаточной точностью в пространстве и во времени определить границы окончательной поздневалдайской терминации на изучаемой территории.
Активная гляциодинамика в пределах Молого-Шекснинской низменности определила многократное её заполнение талыми водами и, следовательно, интенсивное накопление флювиогляциальных, озерно-ледниковых и озерных осадков. Пространственные границы приледникового Молого-Шекснинского озера достаточно хорошо прослеживаются по геоморфологии южной части низменности, где её борта хорошо выражены в виде абразионных уступов (древнеозерных террас) (Хавин, Николаев, 1961; Москвитин, 1947; Русаков, 2012; Спиридонов, Спиридонова, 1947; Ауслендер, 1967), в то время как на северо-западе границы водоёма расплывчаты и не поддаются установлению путём первичного дистанционного дешифрирования (Хавин, 1962; Ауслендер и др., 1964). При этом именно северо-западная часть Молого-Шекснинской низменности представляет особый интерес для изучения непрерывного осадконакопления в крупном приледниковом водоёме в течение позднейших стадий и интерстадиалов валдайского ледниковья (стадии едровская, вепсовская, крестецкая, лужская; интерстадиалы березайский, соминский, мстинский, плюсский, аллерёдский) (Вигдорчик и др., 1962).
Установление абсолютного возраста и специфики гидроклиматических процессов позднего плейстоцена в Молого-Шекснинской низменности позволит также прояснить вопросы формирования покровных суглинков неясного генезиса, отмеченных в виде плаща перигляциальных отложений, залегающих на валдайских водных осадках и московской морене. Между покровными суглинками и подстилающими породами устанавливается определенная генетическая связь; основное же различие заключается в меньшей глинистости первых, что делает их сходными с лессовидными породами. Их генезис условно приписывается процессам физического и химического выветривания, выщелачивания озёрно-ледниковых глин; тем не менее, этот вопрос остается дискуссионным, как, в общем, и вопрос о происхождении лессов (Сенюшов и др., 1965).
Большой интерес также представляет уточнение происхождения симметричных в плане кольцевых геологических структур диаметром от 200 м до 4 км, широко распространенных в центральной части Молого-Шекснинской низменности, на территории Дарвинского государственного заповедника. Гипотетически, по данным некоторых первичных исследований, их возникновение может быть связано с импактным событием, локальными проявления палеовулканизма или же ледниковыми, криогенными, термокарстовыми процессами. Результаты первичного опробования верхней части озёрных и озёрно-аллювиальных отложений обнаруживают редкое присутствие в толще песков некоторых минералов и их ассоциаций, которые предположительно могут иметь импактную природу (Люхин и др., 2016); тем не менее, для установления окончательной версии генезиса кольцевых структур необходимо полноценное и последовательное их исследование.
Почему поздний плейстоцен и голоцен?
Широко известно, что на основании глобальной корреляции содержания изотопа O18 в глубоководных осадках и ледниковых кернах разработана и применяется изотопно-кислородная шкала, служащая основой для реконструкции палеоклиматов. Так, голоцен, отличающийся сравнительно теплым климатом, соответствует ИКС-1 (изотопно-кислородной стадии 1), и сходен по климатическим условиям с нечетными ИКС, тогда как четные ИКС соответствуют ледниковьям. В рамках данного исследования интерес представляет сопоставление современного климата с условиями стадий 3 и 5 (соответственно молого-шекснинское межледниковье (Москвитин, 1957) или соминский интерстадиал (Легенда гос. карты четвертичных отложений Ильменского и Тихвинско-Онежского регионов СЗГУ, 1960) и микулинское межледниковье). Выявление природных механизмов и процессов, характерных для областей, занятых приледниковыми водоемами, в контексте прогноза климатических изменений в ближайшем будущем, является важной задачей как палеогеографии, так и климатологии и глобальной экологи и. Изучение озерных и озерно-ледниковых отложений верхней части разреза, соответствующих периоду неоплейстоцена, позволит установить базовые гидроклиматические параметры в пределах Молого-Шекснинской низменности с большой точностью, и также с высокой долей вероятности прогнозировать возможные изменения природной среды в данном регионе. Выявление особенностей и закономерностей климатических ритмов, подкрепленных точными AMS-датировками, даст возможность проецировать геохронологические данные для всей системы приледниковых озер Северо-Запада России, существовавших во время последней терминации, с целью уточнения периодизации климатических колебаний на севере Восточной Европы. Так, одним из возможных вариантов цикличности природных процессов, имеющих отношение к стадиям оледенения позднего валдая и их выражением в осадках Молого-Шекснинской низменности, могут быть «события D/O», на изотопно-кислородной шкале отмеченные периодическими (1500 лет) колебаниями температуры, и связываемые с последним циклом оледенения-межледниковья (Ганюшкин, 2009).
Кроме того, высокая степень сохранности и выраженность в рельефе кольцевых геологических структур предположительно говорит о поздневалдайском или голоценовом их возрасте. С использованием данных георадиолокационного зондирования кольцевых структур большой интерес представляет определение абсолютного возраста и магнитной восприимчивости пород, слагающих эти структуры.
Почему озера? Почему именно эти озера?
Изучение озёрных осадков широко применяется для индикации палеоэкологических условий, поскольку их отложение отличаются континуальностью на протяжении всего времени существования озёр, а также достаточно быстрой реакционной способностью по отношению к климатическим изменениям, что особенно характерно для малых озёр. На территории Молого-Шекснинской низменности озёра представляют собой остатки древнего водоёма, заполнявшего её, и часто располагаются в пределах обширных болотных массивов, образование которых также происходило по мере спада вод Молого-Шекснинского озера. Следует отметить, что при освоении территории Молого-Шекснинской низменности Череповецкой, Судовской и Вологодской съёмочными партиями Ленинградской геологической экспедиции СЗГУ (1961 г) осадки большинства озёр не были изучены. Для реконструкции палеоклимата в разные периоды существования Молого-Шекснинского озера, вплоть до его полного исчезновения, целесообразно изучение колонок озёр из разных районов низменности: из центральной части (полуостров Молого-Шекснинского междуречья) (абс. высоты 100-105 м) и с периферии – северо-западного крыла (Бабаевский район Вологодской области) (абс. высоты 145-155 м) и северо-восточного крыла (абс. высоты 135-145 м) (Кадуйский район Вологодской области) Молого-Шекснинской низменности.
Таким образом, обработка колонок озёрных отложений даст возможность детализации границы оледенения, отображения и интерполяции особенностей климата, господствовавшего на территории Молого-Шекснинской низменности со времени последней терминации. Учитывая, что крупный приледниковый водоём является своеобразным гидроклиматическим фильтром при реконструкции общего регионального палеоклимата, изучение древнеозёрных осадков даст возможность качественно и количественно охарактеризовать набор локальных физических, химических и биологических процессов, проистекавших под воздействием Молого-Шекснинского озера.
Почему именно эти анализы?
Основной базой палеолимнологических и палеоэкологических исследований в настоящее время (помимо литологии и гранулометрического состава отложений) являются точные данные по абсолютному возрасту отложений. Наиболее доступный и распространенный метод – радиоуглеродное датирование – для целей исследования может быть применен лишь при аналитике отложений, богатых органикой, либо биогенных. Во-первых, это могут быть древнеозёрные глины и гиттии, образование которых в Молого-Шекснинской низменности относят, как правило, к березайскому и соминскому интерстадиалам и одноименным горизонтам озерных отложений (Ауслендер и др., 1964). Во-вторых, для C14-датировок доступны торфяные отложения, - однако, большинство из них образовались в течение голоцена, т.е. в период, когда Молого-Шекснинское озеро уже прекратило своё существование (по крайней мере, в виде приледникового водоёма). Для широко распространенных озерно-ледниковых осадков, содержащих малое количество древнего органического вещества, предполагается выполнить датирование AMS-методом (масс-спектрометрия). Для ясного понимания хронологии палеогеографических событий и грамотной их стратиграфической привязки необходимо выполнение не менее 6 датировок AMS-методом, дополненных радиоуглеродными датировками.
Существенным показателем для корреляции климатических параметров и возраста отложений в пределах древнеозёрного бассейна и на региональном уровне является оценка магнитной восприимчивости пород. Использование этого параметра в высокой степени показательно для реконструкции палеоклимата Молого-Шекснинской низменности, поскольку различные значения магнитной восприимчивости образцов отложений могут указывать на уровни стояния водоёма, маркировать процессы выветривания, бактериального окисления, эвтрофикации и др. (Cohen, 2003) Большую ценность приобретает измерение магнитной восприимчивости в отложениях озёрных кернов из разных частей Молого-Шекснинской низменности (периферийная и центральная части), что позволит интерпретировать динамику уровня приледникового водоёма в разных его частях в различные временные диапазоны.
Изучение минералогических и геохимических особенностей озёрных отложений имеет большое значение для построения фациальных моделей применительно к процессам осадконакопления. Так, с использованием сканирования методами электронной микроскопии, рентгена и рентгено-флюоресценции косвенно возможно дешифрировать текстуру и структуру отложений, минералогический состав. Измерение размера и формы отдельных минеральных зерён может иметь большое диагностическое значение для выявления происхождения всей формации. Оценка количества биогенных элементов (C, N, S и др.) представляет собой важный инструмент для понимания биогеохимических циклов, окислительно-восстановительных обстановок в водоеме. Некоторые коэффициенты и соотношения (например, общее количество органического углерода, соотношение C/N) облегчают понимание происхождения органического вещества, источников его поступления в бассейн, таким образом косвенно свидетельствуя о биопродуктивности водоёма и о палеоклимате. Особенности неорганической геохимии (концентрации отдельных компонентов или соединений) осадочных пород также широко исследуются в рамках палеолимнологии; на основе отнесения химических элементов к той или иной парагенетической группе существует возможность идентифицировать особенности происхождения и условия осадконакопления всей формации.

описание для неспециалистов

Проект направлен на изучение геологического прошлого Молого-Шекснинской низменности (Вологодская область), неоднократно покрывавшейся оледенениями на протяжении последних 400 тысяч лет. До сих пор о климатических условиях и растительности прежних времен - и оледенений, и межледниковий - для этой местности известно сравнительно мало, тогда как изучение природно-климатической ритмики представляет большой интерес и сегодня актуально в большом количестве наук. Это связано с тем, что знание трендов изменения климата в прошлом в определенном смысле позволяет строить прогнозы на ближайшее и отдалённое будущее, с учетом локальных особенностей, и таким образом определять степень антропогенного вклада в глобальное изменение климата планеты.
Для выполнения задач проекта предварительно были отобраны колонки донных отложений бессточных озёр в пределах района исследований – озёрные осадки представляют собой наиболее полноценный и информативный архив палеогеографических данных, по которым можно восстановить и реконструировать историю местности с большой подробностью. В рамках проекта мною в Университете Кёльна были частично изучены ритмичные слои, накапливающиеся в органических и песчаных озёрных осадках, содержащие информацию о многих природно-климатических параметрах (например, о растениях, распространенных в прежние геологические времена, о глубине и солености древнего озера, о близости края ледника и т.д.). Большое значение имеют геохимические показатели – содержание определенных химических элементов в донных отложениях. Для этого применяется метод рентгено-флюоресцентного анализа, который выполнялся на анализаторе в лаборатории Института геологии и минералогии Университета Кёльна, где оказалось возможным измерить необходимые показатели с очень высоким разрешением (2 мм), причем недеструктивно для колонки отложений (не нарушая целостность слоистой колонки).
После этого была выполнена зачистка поверхности колонок образцов и их сканирование в высоком разрешении, что позволило выполнить качественное визуальное описание материала. Это имеет большое значение для выявления визуально различимых границ и сопоставления их с пиками в распределении геохимических показателей. Далее были запланированы анализы по измерению содержанию общего углерода и соотношению элементов C/N/S в образцах, способные указать на источник поступления материала в донные осадки. Более 600 образцов были подготовлены и отправлены в обработку.

основные результаты по проекту в целом

В проект были включены аналитические работы по определению набора геохимических, литологических и геохронометрических параметров путем лабораторных измерений, описаний и расчетов. Следует отметить, что основным преимуществом, исходя из которого работы проводились именно в лаборатории Института геологии и минералогии Университета Кёльна, является полнота её оснащения приборным оборудованием, что и определило приоритетность этого варианта перед другими, в частности российскими, аналитическими центрами, где не представляется выполнить подобные измерения на аналогичных анализаторах. Центральными задачами проекта были измерение геохимических показателей (относительное содержание неорганических химических элементов) с использованием рентгено-флюоресцентного анализатора (РФА) и физических параметров (магнитная восприимчивость, а также при возможности - рассеяние гамма-лучей и скорость прохождения поперечных волн) при использовании мультисенсорного сканера (Multi-Sensor Core Logger). Последние два дополняющих вида измерений выполнить не удалось из-за существенно меньшей ширины трубы, содержащей колонку образцов, по сравнению с шириной сенсоров. Заранее предусмотреть это несоответствие было невозможно из-за технических особенностей пробоотбора озерных осадков российским оборудованием.
Тем не менее, основной объем работ, заключающийся в формировании базы геохимических данных и информации по магнитной восприимчивости отложений, был выполнен, и информация была сохранена в виде таблиц Excel. Таким образом, благодаря возможности недеструктивной обработки образцов с использованием современного высокоточного оборудования с разрешением 2 мм для РФА и 1-2 см для мультисенсорного сканера теперь для интерпретации получена информация по 46 химическим элементам, дополненная измерениями магнитной восприимчивости. Это представляет большую научно-исследовательскую ценность для выполнения многофакторного палеогеографического анализа изучаемой местности. Так, соотношения некоторых химических элементов способны дать информацию об интересующих свойствах отложений гораздо достовернее, чем использование отдельных элементов (например, Zr/Rb позволяет проследить изменение гранулометрического состава материала); выявление подобных закономерностей, сопоставление их с известными палеолимнологическими наработками дает возможность составить первичную интерпретацию предшествующих природных условий.
Кроме рентгено-флюоресценции и магнитной восприимчивости была произведена ручная зачистка поверхности колонок донных осадков и их детальное визуальное описание с акцентом на наличие ритмической слоистости отложений, характеристикой литологии и встречающихся биогенных остатков. Керны затем сканировались в видимом диапазоне спектра и, после первичной их вертикальной корреляции, разделялись на отдельные образцы послойно (с шагом по 1-2 см, в зависимости от геохимических и литологических свойств). После полной сушки образцов была определена доля влаги в них.
Первоначально было запланировано измерение количества общего углерода и количественная оценка соотношения биогенных элементов (C/N/S) для уточнения характера и источников поступления органического вещества в палеобассейн, однако из-за возникших технических неполадок с приборным оборудованием и большого количества образцов удалось выполнить только подготовительные мероприятия, предваряющие измерения. В начале срока реализации проекта была обнаружена поломка рентгено-флюоресцентного анализатора, что задержало работу на нем более, чем на 3 недели. В конечном итоге совместно с российским и немецким научным руководителем было принято решение о пересмотре хода аналитических работ, и подготовку (измельчение агрегатов) образцов для измерения содержания биогенных элементов удалось завершить лишь в последние дни срока выполнения проекта. Часть измельченных образцов была оставлена в лаборатории Университета Кёльна под ответственность персонала лаборатории с договоренностью о том, что сотрудники Института выполнят измерения, и затем вышлют данные через Интернет. В настоящее время пробы находятся в обработке.
Учитывая то, что материал был отобран с трёх объектов (озёр) Вологодской области, и каждая полная колонка отложений состоит не менее, чем из 5 отдельных кернов, то требуется их тщательная вертикальная и горизонтальная корреляция, что означает сопоставление границ и пиков на графиках распределения их геохимических параметров, физических свойств и возрастных характеристик. Все эти задачи, включая пересчёт и калибровку некоторых показателей - закономерное продолжение лабораторных измерений, необходимое для приведения информации к репрезентативному виду и к возможности построения выводов и заключений.
Важно отметить, что, кроме лабораторной обработки материала в Кёльне силами исполнителя проекта, ранее, на основании договора о научном сотрудничестве между ФГБУ "Дарвинский государственный природный биосферный заповедник" и ФГБУН "Институт озероведения РАН" были отобраны и проанализированы образцы из тех же колонок отложений, для определения абсолютного возраста некоторых горизонтов. В октябре 2018 года были получены результаты датировок, что при построении графиков и планировании лабораторных работ позволило учитывать геохронологические особенности формирования отложений. Интересно отметить, что эти датировки были первыми данными об абсолютном возрасте озёрных отложений из Молого-Шекснинской низменности (и прилегающих территорий в северной ее части).
Помимо пионерных определений возраста древнеозёрных осадков, геохимические данные, полученные в результате рентгено-флюоресценции также уникальны для района исследования. Недеструктивный автоматизированный принцип измерения позволяет исключить человеческий фактор при анализе, и существенно сократить лабораторную погрешность. Высокое разрешение измерений (до 2 мм) даёт возможность максимально подробно проследить цикличность климатических изменений в пределах Молого-Шекснинской низменности на протяжении более чем 12 тысяч лет. Это имеет важное значение как для фундаментальных, так и для прикладных дисциплин, поскольку в перспективе будет применимо в различных научных направлениях для выявления тысячелетних, вековых и декадных природных (астрономических, климатических и др.) циклов, что становится особенно актуально в последнее время в контексте возрастающего мирового интереса к вопросам глобального изменения климата.
Принимающий ученый, курирующий ход выполнения процесса в университете-партнере: Prof. Dr. Martin Melles, Institut für Geologie und Mineralogie, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität zu Köln
Полевые работы, пробоотбор, предпроектное хранение, подготовка, транспортировка образцов в Германию, а также определение абсолютного возраста отложений выполнялось в рамках договора на выполнение научно-исследовательских работ между ФГБУ "Дарвинский государственный природный биосферный заповедник" и ФГБУН "Институт озероведения Российской академии наук" в 2018 году.
Короткий заголовокПалеогеография Молого-Шекснинской низменности
АббревиатураD. Mendeleev 2018
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания1/09/1815/12/18