Рельеф шельфа морей российской арктики

На правах рукописи

Никифоров Сергей Львович

РЕЛЬЕФ ШЕЛЬФА МОРЕЙ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ

Специальность 25.00.28 - океанология

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

МОСКВА 2006

Работа выполнена в Институте океанологии им.П.П.Ширшова Российской Академии наук (ИОРАН)

Доктор географических наук Павлидис Ю. А.

Доктор географических наук Жиндарев Л. А. (Географический факультет МГУ, г.Москва)

Доктор географических наук Ильин А. В. (АКИН, г. Москва)

Доктор технических наук Опарин А. Б. (ГНИИНГИ, г. С.Петербург)

Защита состоится 14 февраля 2007 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д.002.239.02 Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН по адресу: г.Москва, Нахимовский проспект, 36

Автореферат разослан___________ 2006 г.

Диссертационного совета

_________________ Панфилова С.Г.
Актуальность диссертации заключается в разработке общей концепции формирования рельефа арктического шельфа Российской Федерации, которая связана как с задачами по освоению природных ресурсов шельфа, так и специальными прикладными исследованиями.

В рельефе шельфа заложена информация о геологическом строении, истории развития и современных морфолитодинамических процессах. Изучение рельефа шельфа является первостепенной задачей для научных и прикладных исследований в области геологии, геоморфологии, геофизики, при проведении поисково-разведочных работ, включая прокладку трубопроводов, создании геоакустических и гидроакустических моделей.

Для реализации этих задач в зарубежных странах интенсивно развивается оперативная океанология и сделаны выводы о том, что расчеты распространения сигналов в море должны производиться с учётом геоакустических характеристик морского дна, в том числе подробного описания его рельефа. В 1998 году в США была создана и широко используется в системе гидроакустических расчётов (СГАР) ВМС США стандартная батиметрическая база данных по рельефу дна – (DBDB – V) (Koehler, Qusters, 2002). Активно ведутся работы по созданию баз данных о геоакустических характеристиках морского дна арктических морей. Созданы системы расчёта полей гидрофизических характеристик среды и прогнозирования полей гидрофизических характеристик среды (системы оперативного мониторинга среды).

В Российской Федерации, к сожалению, часто игнорируется комплексный подход к решению подобных практических задач. Вместе с тем, исследование рельефа должно являться приоритетным направлением национальной морской политики Российской Федерации и ее доктрины, которые должны предусматривать поддержание и развитие глобальных информационных систем и служить основой для принятия решения в области морской деятельности на всех уровнях. Такая постановка вопроса требует применения новых подходов к отображению рельефа морского дна, а именно создания нового поколения цифровых батиметрических карт с высоким разрешением и большой степенью надежности. Это, в свою очередь, требует разработки новой классификации форм и типов рельефа шельфа арктических морей.

Основанием для написания данной работы послужили следующие основные причины:

• 
  Необходимость создания общей концепции формирования рельефа шельфа арктических морей России на основе комплексного подхода и использования данных многолетних исследований.
  
• 
  Необходимость разработки новой классификации форм рельефа арктического шельфа для фундаментальных и прикладных исследований.
  
• 
  Необходимость разработки методики создания цифровых моделей рельефа.
  

1. 
   На основе результатов многолетних исследований в Арктике разработать характеристику рельефа шельфа окраинных арктических морей России.
   
2. 
   На основе анализа современных и палеогеографических процессов, а также структурно-геологического строения выявить роль эндогенных и экзогенных факторов в формировании рельефа шельфа.
   
3. 
   Создать основы новой классификации рельефа шельфа арктических морей.
   
4. 
   Разработать методику для создания цифровой модели рельефа на основе комплексного анализа природных процессов.
   

1. 
   Современный рельеф шельфа арктических морей образован в результате чередований ледниковых и межледниковых природных обстановок и сопутствующим им колебаний уровня Мирового океана, которые привели к формированию на структурах дочетвертичного фундамента морфогенетических комплексов ледникового, ледниково-морского, морского и субаэрального происхождения. Рельеф шельфа каждого из арктических морей России имеет собственную специфику, связанную как с современными процессами, так и с историей развития.
   
2. 
   Разработанная новая морфогенетическая классификация форм и типов рельефа арктического шельфа позволяет создавать детальные карты рельефа дна. В основу положен анализ происхождения, морфологии и геологического строения рельефа.
   
3. 
   Разработанные цифровые модели рельефа, являются достоверными и могут служить основой для проведения разнообразных прикладных исследований.
   
4. 
   Общая концепции формирования рельефа дна арктических морей РФ является необходимой основой для оперативной океанологии и совершенствования систем геоакустического мониторинга.
   

1. В работе решена крупная научная проблема, которая заключается в создании общей концепции формирования рельефа арктического шельфа, что является основой для детального геолого-геоморфологического картирования дна арктических морей России.

2. Создана новая морфогенетическая классификация форм и типов рельефа шельфа арктических морей. Она отличается от разработанной ранее классификации форм и типов рельефа шельфов Мирового океана, предназначенной для мелкомасштабного геоморфологического картирования, значительно большей детальностью. В новой классификации учтены все основные особенности рельефа именно арктического шельфа, развитие которого в четвертичное время происходило в условиях коренным образом отличающихся от других областей Мирового океана.

3. Разработана методика создания цифровой модели рельефа с учетом его происхождения и возраста, что позволило надежно идентифицировать и достоверно отобразить разнообразные его формы.

4. На примере Баренцева моря создана цифровая модель рельефа, которая является основой для проведения дальнейших прикладных исследований в области геоакустики, геологии, геоморфологии, геофизики, поисково-разведочных работ и других специализированных исследований. Модель рельефа необходима для характеристики остальных свойств морского дна, в том числе его глубинного строения.
Практическая значимость работы заключается в создании единого информационного поля океанографических и гидрографических данных, разработке систем оперативного мониторинга, повышении эффективности системы навигационно-гидрографического обеспечения морской деятельности в целом; оценке изученности Мирового океана и планирование работ по специальному изучению Мирового океана, выполнении исследований в интересах экономической деятельности, создании комплексной системы обеспечения безопасности при освоении морских нефтегазоносных месторождений и т.д.
Фактический материал и личный вклад автора

В основу работы положен фактический материал и результаты исследований, полученные в многочисленных научных экспедициях от Баренцева до Берингова морей, начиная с 1978 года при личном участии автора.

Экспедиции базировались на судах Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН (НИС «Профессор Штокман» - 8, 10, 12, 19 рейсы; НИС «Дмитрий Менделеев» - 41 рейс; НИС «Академик Сергей Вавилов» - 13 и 21-ый рейсы и др.). В отдаленных северо-восточных морях экспедиции проводились на гидрографических судах Провиденской гидробазы (Г/С «Дмитрий Лаптев», Г/С «Малыгин», ледокол «Георгий Седов» и др.). В последнее время (в июне 2005 года) в Баренцево море была организована экспедиция (НИС «Академик Сергей Вавилов», 21-й рейс), цель, которой заключалась в изучении рельефа и глубинного строения дна. В этом рейсе была проведена апробация цифровой модели рельефа в натурных условиях и определена ее точность.

Помимо фактического материала были использованы обширные опубликованные литературные источники и картографические данные, а также большой объем отчетных материалов.

Материалы, которые легли в основу диссертационной работы, представлялись на международных и российских научных конференциях и совещаниях, а именно: втором Съезде советских океанологов (1982), школах морской геологии (1982, 1986); международных школах морской геологии (1992, 1994), European Geophysical Society XIX General Assembly Grenoble (1994), International Conference on Arctic Margins, Magadan, Northeast Russia (1994), XX European Geophysical Assembly, European Geophysical Society, Hamburg, Germany (1995), Всероссийском совещании "Главнейшие итоги в изучении четвертичного периода и основные направления исследований в XXI веке", Санкт-Петербург (1998); First Workshop on Land-Ocean interaction in the Russian Arctic, Moscow (2002), ACD – Arctic Coastal Dynamics, 4^th Workshop, St.Peterburg, Russia, International Permafrost Association (2003), 8-th International Conference on Permafrost, Zurich, Switzerland (2003), Arctic Coastal Dynamics, 5-th International Workshop, Montreal (2004), Seventh International Workshop on Land-Ocean Interaction in the Russian Arctic (LOIRA), Moscow (2004), «AGU Fall Meeting», USA, California (2004), VIII Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики – ГА-2006», СПб (2006) и др.

По теме диссертации опубликовано 59 научных работ, в том числе 3 монографии. Имеется 2 внедрения в опытно-конструкторские работы и 1 внедрение в НИР.

Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы (855 наименований) и содержит 318 станиц текста, 115 рисунков и 25 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.г.н. Ю.А.Павлидису.

Особую благодарность за ценные замечания и советы автор выражает профессору Л.И.Лобковскому, профессору Е.А.Романкевичу, зав. Лабораторией сейсмостратиграфии ИОРАН Л.Р.Мерклину, д.т.н. Л.М.Гурвичу и к.г-м.н. В.П.Шевченко (ИОРАН), О.Е.Попову и К.В.Авилову (АКИН), д.т.н. Д.Б.Островскому и к.т.н. И.А.Селезневу (ОАО «Концерн «Океанприбор»), А.Б.Шагину и Л.А.Львовой (ФГУП «Аэрогеология»), а также капитану I ранга, к.т.н. Волженскому М.Н. (ИМАШ), капитану I ранга Добрякову Н.А. (РТУ ВМФ), капитану I ранга Булгакову А.Н. (учебный центр ВМФ им.Л.Г.Осипенко).

Автор благодарен научной школе и наставлениям профессора О.К.Леонтьева, а также всегда доброжелательным замечаниям А.А.Аксенова и А.С.Ионина, которых, к сожалению, нет среди нас.

Автор искренне благодарен коллегам, принимавшим участие в совместных исследованиях: А.А.Покрышкину, А.Н.Плишкину, О.В.Левченко, Е.М.Потехиной, А.Д.Мутовкину, Н.В.Политовой, М.Г.Юркевич, А.А.Кравченко, С.Б.Соколову.

Автор признателен экипажам научно-исследовательских и гидрографических судов «Академик Сергей Вавилов», «Профессор Штокман», «Дмитрий Лаптев», «Георгий Седов» за помощь в проведении исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 05-05-64864 и 06-05-08039-офи).

Глава 1. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА МОРСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЛЬЕФА ШЕЛЬФА
В основу диссертационной работы положен фактический материал, полученный в многочисленных научных экспедициях в Баренцево, Карское, Восточно-Сибирское, Чукотское моря и море Лаптевых, начиная с 1978 года при личном участии автора. Экспедиции базировались на судах Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН (НИС «Профессор Штокман» - 8, 10, 12, 19 рейсы; НИС «Дмитрий Менделеев» - 41 рейс; НИС «Академик Сергей Вавилов» - 13 и 21-ый рейсы и др.).

В 1978 - 1981 гг. – Институтом океанологии РАН и Провиденской гидрографической базой ММФ СССР были организованы и проведены три «Полярные Северо-Восточные экспедиции», целью которых являлось изучение рельефа, осадков и четвертичной истории развития северной части Берингова, Чукотского и Восточно-Сибирского морей. Экспедиции проводились на гидрографических судах (Г/С «Дмитрий Лаптев», Г/С «Малыгин» и др.) и ледоколе «Георгий Седов».

В Баренцевом, Печорском и Карском морях с начала 80-х годов была проведена серия экспедиций, в которых проводились широкие комплексные исследования в рамках крупных научных проектов, включая международные (рейсы НИС «Профессор Штокман, 13-й рейс НИС «Академик Сергей Вавилов», 41-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев» и др.) (рис. 1).

Рис 1. Пример изученности одного из региона Арктики - Печорское море. Условные обозначения: 1-станции НИС “Профессор Штокман”-12-й рейс, 2- станции НИС “Академик Сергей Вавилов”- 13-й рейс, 3- скважины буровых судов (Б/С “Бавенит”) (архивные материалы), 4- номера основных эхолотных профилей и профилей “Парасаунд”.

В июне 21 рейсе НИС «Академик Сергей Вавилов» (2005 г.) в Баренцевом море была выполнена проверка геоакустической модели, созданной по специально разработанной методике, суть которой изложена в диссертации.

При морских геолого-геоморфологических исследованиях, как правило, использовалось следующее оборудование: сейсмоакустический параметрический профилограф «Парасаунд» (во время круглосуточных вахт информация, полученная с помощью «Парасаунда», фиксировалась в журнале наблюдений; вывод данных осуществлялся на термобумагу, а также производилась запись профиля в цифровом формате), гидрографические исследовательские эхолоты, системы спутникового позиционирования, автоматизированные комплексы площадной съемки рельефа и грунта морского дна (гидролокаторы бокового обзора). При исследованиях изучались характеристики поверхностных и нижележащих слоев осадков.

Для решения поставленной в диссертации научной проблемы, направленной на создание общей концепции формирования рельефа арктического шельфа, был выполнен совместный анализ натурных и гидрографических данных и детальный учет рельефообразующих процессов, которые привели к образованию существующих ныне тех или иных форм рельефа, с целью определения их генезиса. Только на основе комплексного подхода к изучению рельефа возможно достоверное построение цифровой модели рельефа и определить характер и изменчивость рельефа на принципиально новом технологическом уровне.

Глава 2. ОБСТАНОВКИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ШЕЛЬФА
Арктика оказывает огромное влияние на природную среду всей Земли. Хрупкое равновесие между ее физическими, химическими и экологическими параметрами с низкими скоростями восстановления биологических ресурсов и высокой чувствительностью к природным и техногенным факторам делают Арктику индикатором глобальных изменений, регионом, где эти изменения могут быть наиболее значительными и произойти раньше и сильнее, чем в более низких широтах. В этих условиях трансформация рельефа шельфа может носить катастрофический характер. Поэтому, анализ ведущих рельефообразующих процессов является основой не только для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач, но и разработки сценариев возможного развития рельефа.

Рельеф шельфа формируется в результате непрерывного, исторически обусловленного развития эндогенных, экзогенных и антропогенных процессов. Эндогенные факторы (структуры), предопределяют распространение наиболее крупных его элементов: впадин, возвышенностей, желобов, иногда отдельных форм рельефа, связанных с выходами на поверхность морского дна выступов коренных пород в виде гряд. Экзогенные факторы создают, в основном, аккумулятивные формы рельефа, которые и определяют современный облик шельфа.

В целом российский сектор шельфа расположен в пределах континентальной окраины атлантического типа, где геологические структуры испытывали и продолжают испытывать как горизонтальные, так и вертикальные тектонические движения. Континентальная окраина севера Евразии является природной морфогенетической геосистемой, где образование структурного плана происходило под влиянием эндогенных факторов. Нельзя не отметить контрастность рельефа западно-арктических морей и, наоборот, относительную сглаженность рельефа на востоке.

Вместе с тем, экзогенные процессы мощно изменили первичную структуру. В настоящее время все структурные формы, за редким исключением, перекрыты осадочным чехлом (аккумулятивный чехол облекания), который значительно снивелировал первичную поверхность. Анализ литературного материала свидетельствует, что главными поставщиками осадочного материала являются: твердый сток рек, абразия берегов, торентогенный и эоловый перенос.

Исходная поверхность шельфа осложнена многочисленными современными и реликтовыми мезоформами рельефа (моренные гряды, палеодельты, древние русла рек, затопленные бары и др.). Многие впадины, особенно их борта, были преобразованы волновыми и флювиальными процессами.

Таким образом, выделение структурного рельефа на шельфе Арктики, как правило, отражает лишь тот факт, что он был первоначально создан в результате эндогенной деятельности, а в настоящее время практически все исходные структуры, в той или иной степени, переработаны экзогенными процессами. Автор считает, что подобные формы рельефа следует относить не к структурным, а структурно-скульптурным образованиям.

Рельеф шельфа арктических морей образован в результате чередований ледниковых и межледниковых эпох и неоднократных колебаний уровня Мирового океана, которые привели к формированию на структурах дочетвертичного фундамента морфо-генетических комплексов ледникового, ледниково-морского, морского и субаэрального происхождения.

Рис.2. Палеодолина р.Лена (обозначена штриховкой)

Н

а эволюцию современного рельефа шельфа наибольшее влияние оказало последнее позднеплейстоценовое (вюрмское) оледенение.

Оледенения оставили свои следы преимущественно на шельфе западной части Российской Арктика, тогда как восточная его часть в ледниковые эпохи осушалась, и дренировалась реками, что подтверждается нашими и литературными данными (рис.2 и 3).

Рис. 3. Геоморфологическая схема дна моря Лаптевых (Семенов, Шкатов, 1971) 1-2 - денудационный рельеф: 1 - абразионно-аккумулятивные равнины прибрежных мелководий и банок; 2 - абразионная равнина подводного цоколя Северной Земли; 3-7 — аккумулятивный рельеф; 3 - унаследованная морская равнина основной части шельфа; 4 - авандельты рек Лены, Яны и Оленёка; 5 - аккумулятивная равнина желоба Вилькицкого; 6 - материковый склон (зона турбидитово-пелагической аккумуляции); 7 - абис­сальная равнина Арктического бассейна; 8, 9 - релик­товый субаэральный рельеф; 8 - экзарационно-аккумулятивный рельеф подводной периферии Таймыра; 9 - древние затопленные речные долины. Дополнительные обозначения: 10 - подводные террасы и их высота, м; 11 - границы древних речных долин; 12 - предполагаемые границы древних речных долин; 13 - тальвеги древних речных долин; 14 - подводные каньоны; 15, 16 - границы материкового склона: 15 - верхняя, 16 - нижняя.

Рельеф шельфа не является стабильным. В условиях потепления климата, некоторые природные процессы будут усиливаться, а некоторые наоборот ослабевать. Поэтому, среди ведущих рельефообразующих факторов необходимо выделять активные процессы, непосредственно принимающие участие в формировании рельефа того или иного участка, а также пассивные, которые как бы предопределяют проявление активных и направляют общий ход их развития. Эндогенные процессы относятся, как правило, к пассивным факторам. Используя данный подход, можно определить тренд или направленность изменения морфологии рельефа в будущем.

Арктические берега очень разнообразны. Из-за своеобразия ведущих рельефообразующих процессов, подгруппа берегов, созданных исключительно современными волновыми процессами, имеет не столь широкое распространение по сравнению с другими климатическими зонами, так как на некоторых участках ведущее значение приобретают зональные климатические факторы - ледовый режим, наличие многолетнемерзлых грунтов.

Благодаря экзарационной деятельности покровных ледников, существенные изменения претерпели первично-тектонические (Северная Норвегия, Кольский полуостров, частично Новая Земля, Земля Франца-Иосифа) и структурно-экзарационные (Северный остров Новой Земли) берега. В результате сформировались фиордовые, фиардовые и шхерные берега, а на шельфе  подводные фиордовые долины, окраинные продольные желоба и т.п.

Мощный припай, особенно характерный для наиболее ледовитых морей Арктики (Восточно-Сибирское, море Лаптевых), оказывает определяющее влияние на формирование подводного берегового склона. Ледовый покров резко ослабляет интенсивность волнения и приводит к образованию анормального (выположенного) поперечного профиля подводного склона, тонкодисперсных глинистых отложений даже на прибрежном мелководье, а также особого минералогического состава отложений с незначительным содержанием тяжелой фракции. Подводный береговой склон в Арктике формируется под влиянием не одного, как это считалось ранее, а двух факторов  волнения и ледового припая. Преобладание одного из них приводит к различному морфологическому эффекту  с одной стороны, к образованию классического подводного склона, а с другой  особого арктического типа, который представляет собой яркий пример проявления зональных литолого-геоморфологических процессов на побережье арктических морей.

В зоне распространения рыхлых осадочных пород одной из важных ландшафтных особенностей полярных регионов является многолетняя мерзлота. Мощность ее на побережье Арктики изменяется в широких пределах. За счет разрушения термоабразионных берегов на прибрежное мелководье Арктики поступает огромное количество осадочного материала.

На участках распространения коренных пород господствуют процессы физического морозного выветривания, которые являются определяющими факторами мобилизации, перемещения и поступления осадочного материала на побережье и более низкие гипсометрические уровни шельфа.