Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фактический материал и методика морских исследований рельефа шельфа
Глава 2. Обстановки формирования рельефа шельфа
2.1. Экзогенные факторы формирования рельефа
2.1.1. Климат
2.1.2. Волнение
2.1.3. Ледовый режим
2.1.4. Течения, приливы и другие основные гидрологические параметры
2.1.5. Сток рек
2.2. Эндогенные факторы формирования рельефа
2.2.1. Геологическое строение и новейшие вертикальные движения
Глава 3. Обстановки формирования рельефа на границе суша-море
3.1. Определение понятий «шельф», «берег», «побережье» и «прибрежная зона»
3.2. Характеристика ведущих береговых процессов
3.3. Краткая характеристика арктических берегов России
Глава 4. Классификация форм рельефа арктического шельфа
Глава 5. Рельеф шельфа и его влияние на распределение осадков 165-237
5.1. Баренцево море 166-188
5.1.2. Печорское море 178-188
5.2. Карское море 188-200
5.3. Море Лаптевых 200-209
5.4. Восточно-Сибирское море 209-220
5.5. Чукотское море 220-237
Глава 6. Методика создания цифровой модели рельефа 238-250
Глава 7 . Проверка сопоставления цифровой модели рельефа с натурными данными (на примере южной части баренцева моря) 251-256
Глава 8. Рельеф как основа геоакустической модели морского дна (на примере южной части Баренцева моря) 257-267
8.1. Основные требования для создания геоакустической модели морского дна 258-259
8.2. Геоакустические характеристики поверхностных осадков 259-262
8.3. Геоакустическое моделирование осадочной толщи 262-267 Заключение 268-270 Список литературы
- Ледовый режим
- Характеристика ведущих береговых процессов
- Печорское море
- Основные требования для создания геоакустической модели морского дна
Введение к работе
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.
Целью диссертации является разработка общей концепции формирования рельефа шельфа окраинных арктических морей и создание цифровой модели рельефа для фундаментальных и прикладных исследований.
Задачи
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.
Фактический материал и личный вклад автора
В основу работы положен фактический материал, полученный в многочисленных научных экспедициях от Баренцева до Берингова морей, начиная с 1978 года. Важные научные результаты, которые легли в основу этой работы, были получены в арктических морских экспедициях 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 опубликованные литературные источники и картографические данные, а также большой объем отчетных материалов.
Защищаемые положения
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 концепций формирования рельефа дна арктических морей РФ является необходимой основой для оперативной океанологии и совершенствования систем геоакустического мониторинга.
Научная новизна
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.
Апробация
Материалы, которые легли в основу диссертационной работы, представлялись на международных и российских научных конференциях и совещаниях: 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, 4th Workshop, St.Peterburg, Russia, International Permafrost Association (2003), 8h International Conference on Permafrost, Zurich, Switzerland (2003), Arctic Coastal Dynamics, 5h 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. Публикации
По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, из них 3 монографии. Имеется 2 внедрения в опытно-конструкторские работы и 1 внедрение в НИР.
Структура
Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы (858 наименований) и содержит 314 станиц текста, 115 рисунков и 25 таблиц.
Благодарности
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 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).
Ледовый режим
Достаточно часто при морских геолого-геоморфологических исследованиях применяют автоматизированные комплексы площадной съемки рельефа и грунта морского дна (гидролокаторы бокового обзора) - например, АГКПС-300, либо другие системы, которые предназначены для высококачественной съемки рельефа и донных осадков, а также для поиска и обследования подводных объектов.
Кроме вышеуказанного чрезвычайно дорогостоящего оборудования, геоморфологу при исследовании рельефа необходимо знать характеристики поверхностных и нижележащих слоев осадков для определения генезиса рельефа, его динамики, истории развития и миграции (потоков) осадочного вещества. Именно на основе подобного комплексного подхода к изучению рельефа возможно достоверное отражение геоморфологических характеристик того или иного региона, которые будут подтверждены следующими методами: морфология - эхолотного зондирования и совместным анализом навигационных карт разного масштаба; генезис - сейсмоакустического зондирования («Парасаунд»), анализом колонок отложений, включая морское бурение; возраст - различными геохронологическими методами датирования образцов грунта из колонок донных отложений
Для определения современной динамики рельефа необходимо широкое привлечение гидрофизических данных (например, данных ADCP и пр.), а также распределения и скоростей накопления взвешенного материала в водной толще (результаты фильтрации взвешенного материала, седиментационные ловушки и пр.). Желательно привлечение данных по текстурам верхнего слоя отложений, в том числе связанных с процессами биотурбации.
В связи с эти, приведём краткую характеристику основных приборов для отбора проб поверхностных осадков.
Ударная прямоточная трубка с изменяемой длиной (диаметр 160 мм, вес около 0,7 тонны без грузов). Трубка снабжена пружинным клапаном, обеспечивающим плотное закрытие верхнего - конца трубки. Отбор проб грунта осуществляется под действием силы тяжести в результате свободного падения. Прибор позволяет брать, как правило, монолиты длиной до 5,5 м, а в ряде случаев и более (до 12-13 м). В зависимости от целей и задач экспедиционных работ иногда используется малая геологическая ударная трубка небольшого диаметра (около 70 мм), а также трубка «Ниемиста», которая является самой маленькой из семейства ударных геологических труб.
Из других типов геологического оборудования, позволяющего отбирать колонки грунта, следует отметить бокс-коррер и мильтикоррер. Их преимущество состоит в отборе больших монолитов грунта относительно небольшой длины (до 3 метров), что необходимо при проведении широких комплексных океанологических исследованиях.
На песчаных грунтах и малых глубинах используются вибропоршневые трубки различных модификаций, которые на жестком основании устанавливаются на морском дне, а их работа осуществляется вибратором посредством кабель-троса.
Дночерпатели различных типов используется для отбора проб поверхностных осадков. Самый распространенный - "Океан-50", площадь захвата 0,25 м2 со сбрасывателями различных модификаций (например сбрасыватель «Федикова»),
При морских геолого-геоморфологических исследованиях широко используются навигационные карты. В зависимости от практического использования навигационные карты подразделяются на планы, частные, путевые и генеральные карты. Необходимо отметить особую важность гидрографических исследований, так как именно они являются первичным этапом исследований морской геоморфологии. По мнению Ласточкина (1982), с которым полностью согласен автор, они создают основу, на которой формируется морская геоморфология как наука. Роль карт, в широком понимании, очень верно определил Ю. М. Шокальский (1946) - «карта есть главнейшее орудие для географа, при ее помощи он подготавливает свои исследования, на нее наносит полученные результаты, которые, в свою очередь, будут служить ему ступенью для дальнейшего движения вперед. Только при ее помощи он и может обнимать одним взглядом иначе необозримые протяжения, видеть строение океанического ложа, расположение пластов слагающих на глубине земную кору, изучать распределение элементов на различных глубинах в Мировом океане, в высотах, в атмосфере. Положительно не существует в географии такого вопроса, который не нуждался бы в карте как необходимейшем пособии, и поэтому географу надо владеть картой в безукоризненности».
Вместе с тем, следует отметить, что практическая цель гидрографического промера направлена не на выявление морфометрических особенностей рельефа морского дна, а на указание расположения мелей, отличительных глубин и других подводных элементов опасных для мореплавания. Проводимые на морских навигационных картах изобаты служат, прежде всего, навигационным целям. Каждая из проводимых изобат имеет свое назначение, например: 2-х метровая - ограничивает глубины опасные для плавания всех видов кораблей; 5-ти метровая - глубины не доступные для судов со средней осадкой; 10-ти метровая - для судов с большой осадкой; 10-20-ти метровая - глубины доступные для всех судов (Леонтьев, 1961). Поэтому, данные промера в отрыве от геолого-геофизических и геоморфологических данных могут обеспечить только общее представление о рельефе морского дна.
Основными требованиями к отображению рельефа на современных навигационных картах являются: а) подробность, б) геометрическая точность, в) геоморфологическая
Недостоверность, объективность и современность, г) максимальная наглядность и выразительность, доступность для снятия любой батиметрической или морфометрической характеристики. И если три из этих требований призваны обеспечить гидрографические исследования, то ответственность за достоверность, объективность и современность лежит на морской геоморфологии (Ласточкин, 1982).
Для решения проблемы по батиметрическому картированию необходим совместный анализ натурных и гидрографических данных, а также детальный учет рельефообразующих процессов, которые привели к образованию существующих ныне тех или иных форм рельефа, чему посвящены последующие главы.
Характеристика ведущих береговых процессов
Наряду с подвижными морскими льдами, в прибрежной зоне широко развит припай. Припай - основная форма неподвижного льда, представляющая собой сплошной ледяной покров, примерзающий к берегу, а на мелководных участках иногда даже ко дну. Наибольшее развитие припай получил в Восточно-Сибирском море. В летнее время полоса припая взламывается и распадается на отдельные поля, которые могут сохраняться в течение длительного времени. Нередко плавающие летом льды, особенно паковые, приближаются непосредственно к берегу, отдельные крупные льдины при этом застамушиваются на мелководье и, скапливаясь, образуют ледяные барьеры -естественные волноломы, основания которых на мелководье касаются дна. При торошении и стамухообразовании льды перемещают донный и пляжевый обломочный материал, формируют валы, борозды и углубления.
Согласно номенклатуре льдов, торос превращается в стамуху при его динамическом воздействии на дно (Международная символика , 1984). Под давлением льдов со стороны моря ледовые массивы прижимаются к берегу, часть их затем дробится волнами, в результате чего образуется ледово-каменный вал, который впоследствии преобразуется фацию грубообломочных ледовых отложений. Иногда она слагает валунно-галечный пляж, имеющий в поперечном сечении вид линзы. Такие валунно-галечные накопления характерны, например, для пляжей о-ва Врангеля. Они отличается от «волновых» пляжей более крупнозернистым составом обломочного материала, плохой его окатанностью и, практически, полным отсутствием сортировки. На о-в Врангеля тяжелые паковые льды особенно сильно воздействуют на восточные его берега, напирая на них со стороны Чукотского моря. Здесь на глубинах от 30 до 40 м они образуют в конце весны - начале лета крупный ледовый барьер, высотой до 10-15 м, основание которого ложится на дно. В течение лета этот барьер постепенно тает, оставляя на дне слой песчано-гравийно-галечных отложений. Такой же барьер часто образуется и вдоль северных берегов Чукотки от Уэлена до мыса Шмита. Такие льды у берегов Чукотского моря очень подвижны. Они создают серьезные препятствия для мореплавания. Так в 1981 г. мы на гидрографическом судне ледового класса «Дмитрий Лаптев» в июле-августе не смогли преодолеть ледовые заторы ни у о-ва Врангеля, ни в районе Уэлена. Такая обстановка способствует транспортировке и переотложению морскими льдами обломочного материала, в основном песка.
В целом, при формировании ледяного покрова возможны три типа торошения, причинами которого являются ветровые явления, гидрологические факторы и их комбинации. Первый тип торошения связан с образованием (в ослабленных местах) торосов взлома в результате достижения критического предела силы сжатия. Отличительной чертой является внезапность начала торошения. Второй тип характеризуется контактом льдин и ледяных полей, имеющих разные векторы скоростей. В месте контактов, в зависимости от соотношения векторов скоростей, могут наблюдаться как сжимающие, так и сдвиговые нагрузки, которые приводят к дроблению льдин и ледяных полей и нагромождению ледяных обломков друг на друга, в результате образуются торосы раздробления. Этот тип торошения наблюдается чаще, особенно при взаимодействии дрейфующих ледяных полей с припаем, имеющим нулевой вектор скорости (Астафьев, Сурков, Трусков, 1997).
О масштабах донной переработки грунта можно судить по материалам исследований в море Бофорта, согласно которым льды ежегодно перерабатывают около 2 % площади дна, при этом на дне максимальные глубины ледовой экзарации достигают 1,4-1,6 м [Reimnitz et al., 1972, 1978]. Следует отметить, что в береговой зоне моря Бофорта при торошении образуются огромные массивы в виде барьеров, высотой до 12 м и более (рис. 2.1.3.-2).
В море Бофорта наиболее сильные штормы приходят обычно с запада. Именно они способны перемещать лед в береговой полосе с запада на восток. Подвижки стамух, особенно во время весенних штормов, производят наиболее сильное воздействие на дно, а мощная турбулентность воды вокруг их оснований создает условия для массового перемещения песка, гравия, гальки, которые, в конце концов, образуют локальные скопления на дне в виде пятен крупнозернистых отложений. Это создает характерную пестроту в распределении гранулометрических фаций (Marine Science Atlas..., 1984).
По данным американских исследователей [Reimnitz et al., 1972, 1978], ледовая экзарация может проявляться до глубины 75 м. Однако только на внутреннем шельфе (в море Бофорта - до глубин в среднем 12 - 40 м) борозды ледового выпахивания имеют современный возраст. Морфологически эти формы рельефа, как правило, представлены бороздами глубиной около 1-2 м шириной от нескольких метров до нескольких сот метров с характерными валообразными повышениями по краям. Максимальные глубины борозд на дне могут доходить до 6, а в редких случаях и до 10 метров (Астафьев, Сурков, Трусков, 1997).
В российском секторе Арктики ледовая экзарация также достаточно интенсивна. Так, на дне Байдарацкой губы (Карское море) до глубин 15-18 м зарегистрировано 295 борозд глубиной от 0,4 до 2,2 м и шириной 5-40 м [Соломатин и др., 1998].
Химическое воздействие льдов на дно проявляется в мелководных акваториях и лагунах, которые к концу зимы при максимальной мощности припая и прибрежных ледовых гряд почти полностью изолируются от моря, формируя на локальных участках свой температурный режим и солевой состав воды. Так, исследованиями в районе островов Шараповы Кошки было установлено, что в межваловой ложбине под припаем залегали сильно минерализованные воды, сохраняющие в интервале глубин 0,2-0,5 м температуру -4,4С [Соломатин и др., 1998].
В целом, ледовитость арктических морей приводит к существенному снижению температуры воды, которая подо льдом не превьппает -1,8 С. Низкая температура воды приводит к сохранению реликтовых мерзлых толщ, а у берегов, где припай смерзается с донными осадками, - к возникновению новообразований многолетнемерзлых пород [Жигарев, 1998].
В прошлом, благодаря экзарационной деятельности покровных ледников, существенные изменения претерпели первично тектонические (Северная Норвегия, Кольский п-ов, частично о-ва Новая Земля, Земля Франца Иосифа), эрозионные (Южный остров Новой Земли) и другие формы дочетвертичного рельефа на суше и на самой поверхности шельфа. В дальнейшем, это привело к формированию фиордовых, фиардовых и шхерных берегов, а на шельфе - подводных фиордовых долин, окраинных продольных желобов, межостровных проливов и др. Характерными признаками этих образований является переуглубленность, а в отдельных случаях усложнение их морфологического облика за счет формирования порогов, боковых и напорных морен, связанных с аккумулятивной деятельностью покровных и выводных ледников.
Велика роль льдов и в переносе терригенного материала. Исследования образцов льда из обрывов ледников в бухтах Машигина, Борзова, Иностранцева показали, что всего в год с северного острова Новой Земли в Баренцево море поступает около 9 млн т терригенного материала ледникового происхождения (Медведев, Потехина, 1990 а). В восточных морях (Чукотском море) также ощутима примесь песчано-галечного материала ледового разноса в преобладающих глинистых и алевритово-глинистых илах, которая составляет около 1% (Арктический шельф..., 1998). Ряд авторов приводят огромные величины среднего количества наносов, выносимых льдами с берега в Чукотское море -около 550 кг с одного погонного метра длины берега [Шуйский, 1986], что, вероятно является некоторым преувеличением.
Печорское море
На шельфе Баренцева моря можно выделить семь основных литологических типов современных донных осадков. Грубообломочный материал (от гравия и крупнее) распространен в Баренцевом море на весьма ограниченной площади, обычно в узкой полосе у берегов Кольского полуострова, Новой Земли, острова Колгуев и др. На основной площади дна в современных осадках такой материал присутствует лишь в виде примесей и ассоциируется с ледовым разносом. Среди песчаных отложений Баренцева моря по гранулометрическому составу выделяются, с одной стороны, «чистые» пески (суммарное содержание песчаных фракций составляет более 90%), с другой - пески с примесью более мелких алевритово-глинистых фракций. «Чистые» пески развиты преимущественно в прибрежной зоне. Они образуют полосу отложений, начинающуюся от Кольского берега, огибающую п-ов Канин и о-в Колгуев, протянувшуюся к востоку вплоть до острова Вайгач. Кроме того, песчаные отложения покрывают плоские вершины Канинской и Гусиной банок. Нижняя граница распространения "чистых" песков ограничивается изобатой 30-50 м, что соответствует зоне максимального волнового воздействия на дно.
Пески алевритовые и алевритово-глинистые развиты на шельфе более широко и распространены практически на многих подводных возвышенностях, например, на вершине Мурманского вала и на Адмиралтейском валу. Глубины распространения таких заиленных песков опускаются до 100-120 м. Как составная часть спектра донных осадков в Баренцевом море в очень широких пределах распространен алеврит - от десятых долей процента до 90% и более. Однако как самостоятельный тип алевриты распространены редко и обнаружены лишь на вершине Южно-Канинской банки и в проливе между о-вом Колгуев и п-вом Канин. Максимальная концентрация алевритового материала характерна для осадков, залегающих на глубинах от 80 до 200 м, что, в основном, приходится на склоны возвышенностей и впадин.
Наиболее распространенными на шельфе Баренцева моря являются пелитовые осадки с преобладающей фракцией и медианным диаметром 0,01мм . Они включают примесь песков и алевритов в различном процентном соотношении. Эти осадки широко развиты в центральной части моря и во всех относительно глубоководных котловинах.
Наряду с другими типами отложений на баренцевоморском шельфе развиты осадки смешанного гранулометрического состава. Пространственно эти осадки чаще всего встречаются на склонах подводных возвышенностей, например, Адмиралтейского вала, плато Литке, Центральной возвышенности и др.
Даже на больших глубинах (боле 150 м) в составе поверхностного слоя (0-10 см) илистых осадков присутствует примесь крупнозернистого материала ( 0.1 мм), которая, в ряде случаев, достигает 16-18%. Одним из способов их переноса и последующего выпадения в осадок является плавучий лед.
Обстановка осадконакопления в северо-западной части Баренцева моря, -примыкающей к Шпицбергену, отличается, тем, что здесь большую часть года сохраняется почти сплошной ледовый покров из подвижных льдов, которые выносятся постоянным холодным Восточно-Шпицбергеновским течением из Центральной Арктики (между Шпицбергеном и Землей Франца-Иосифа). На к югу от Шпицбергена, вплоть до о-ва Медвежий, распространены морены последнего оледенения шпицбергеновского ледникового центра, которые покрыты остаточными (реликтовыми) грубозернистыми отложениями.
Новейшая история развития Печорского моря в период поздний плейстоцен-голоцен содержит целый ряд нерешённых палеогеографических вопросов. Наиболее дискуссионным является вопрос о существовании или, наоборот, отсутствии в позднем вюрме ледникового покрова. Одни авторы придерживаются идеи Панарктического оледенения, другие рассматривают область Печорского моря как область соединения ледниковых покровов Новой Земли и Северного Урала, а третьи, считают, что развитие ледниковых покровов было ограниченным и полагают, что рассматриваемый регион в эпоху максимума последнего оледенения представлял собой арктическую тундру, а в Южно-Новоземельском жёлобе (ЮНЖ), существовал морской бассейн под покровом паковых, а возможно и сезонных льдов.
В пределах Печорского моря выделяются следующие крупные элементы морского дна: 1 - подводный береговой склон («внутренний шельф»), 2 - субгоризонтальная равнина средней части шельфа и 3 - борта и днище Южно-Новоземельского желоба (далее ЮНЖ) и Коротаихинский впадины (рис. 5.1.2-1, 5.1.2-2). Под «внутренним шельфом» (или подводным береговым склоном) понимается полоса морского дна, непосредственно примыкающая к берегу и подвергающаяся постоянному воздействию современных гидродинамических и ледовых процессов разной интенсивности. Внешняя его граница определяется по перегибу подводного берегового склона.
На аккумулятивных участках ширина внутреннего шельфа в среднем составляет 4-6 км и более, угол наклона около 0,003 (здесь и далее в tg); на абразионных 1-2 км и около 0,005; термоабразионных 2-3 км и 0,005-0,003, на острове Вайгач его ширина колеблется от 1,5 до 3 км, а углы наклона значительно больше и составляют 0,013-0,003, а на о. Колгуев 4-8 км и 0,005-0,003 соответственно.
Основные требования для создания геоакустической модели морского дна
Геоакустическая модель описывает распределение в пространстве акустических параметров морского дна. Основной проблемой при создании геоакустической модели дна для больших акваторий морей и океанов является крайний дефицит данных прямых измерений акустических свойств дна, получение которых является весьма сложной и трудоемкой задачей. В связи с этим, геоакустическое моделирование базируется на прогнозировании акустических свойств дна на основе совместного анализа данных геолого-геоморфологических исследований и экспериментальных данных об акустических параметрах дна.
В данной работе преимущественно исследуется рельеф дна, как важнейшая составляющая геоакустической модели и, в определенном смысле, ее основа. Действительно: Рельеф дна определяет границу между двумя средами водной и донной, с сильно отличающимися акустическими характеристиками. При изменении глубины моря и отражении звука от неровной границы вода-дно изменяется угловая, а, следовательно, и пространственная структура звукового поля в водной среде. В областях наиболее резкого изменения глубин моря (например, в области материкового склона) возникает явление горизонтальной рефракции звука, оказывающей сильное влияние на точность и надежность работы гидроакустических средств.
Таким образом, информация о рельефе дна в общем случае необходима для прогнозных расчетов распространения звука в море, а точное описание рельефа необходимое условие точности прогноза характеристик звукового поля.
При этом следует отметить, что гидроакустические методы играют решающую роль при решении широкого круга научных, практических и прикладных задач на акваториях морей и океанов. Как известно, это объясняется тем, что только звуковые сигналы могут распространяться в воде на значительные расстояния. Параметры гидроакустического (звукового) поля определяются, в основном, характеристиками двух природных объектов: водной толщи и морского дна - именно они передают и перераспределяют основную часть акустической энергии. Доля (соотношение) влияния этих объектов зависит от типа и вида решаемых задач, района и периода работ, параметров каждого из них.
Для описания рельефа и глубинного строения были использованы материалы многолетних исследований ИО РАН, АКИН, ММБИ, АМИГЭ, ВМНПО «Союзморгео» и других организаций. В результате были построены в цифровом формате карты: рельефа дна (о которых говорилось выше), типов современных поверхностных отложений, мощностей слоев осадочной толщи с различными геологическими, физическими и акустическими свойствами.
Толща мезо-кайнозойских отложений и осадочных пород подразделяется на следующие горизонты. Верхний, голоценовый слой осадков, имеет мощность от десятков сантиметров до нескольких метров (реже десятков метров).
Соответственно этим слоям были построены карты в ГИС-формате. Все послойные карты осадочной толщи привязаны к карте рельефа дна.
Геологический подход на основе морфологического, литологического и структурного анализа - наиболее рациональный путь получения информации для обширных акваторий при геоакустическом моделировании. Для описания акустических свойств дна, необходимых для решения прикладных задач гидроакустики, по трассе распространения звука необходимо знать: 1. Генеральный рельеф и статистические свойства, как минимум, мезорельефа 2. Строение осадочной толщи и ее акустические свойства. При описании осадочной толщи дна Баренцева моря оказалось продуктивным деление ее на несколько по вертикали слоев переменной мощности.
В результате для описания геоакустической модели дна Баренцева моря в формализованном виде необходимо построить следующие цифровые карты: 1. Карта генерального рельефа. 2. Карта гранулометрических свойств поверхностных осадков (по карте рельефа) 3. Карты изопахит (карты мощностей) до акустических границ. Мощности слоев привязаны к опорным кернам глубокого бурения (Б/С «Бавенит», АМИГЕ, г. Мурманск), данным ГСЗ, а также к колонкам грунта, отобранным различными пробоотборниками.
Для определения акустических свойств литологически разных типов отложений Баренцева моря в Акустическом институте использовалась специальная методика, которая была реализована во время экспедиционных исследований в южной части Баренцева моря. На равномерной сетке через определенные интервалы проводился отбор грунтовых колонок. В экспедиционных и камеральных условиях в одних и тех же образцах измерялись геологические и акустические параметры: гранулометрический состав, плотность, скорость звука, пористость и др. Данные гранулометрического состава явились основой типизации донных отложений в соответствии с классификацией Института океанологии РАН. Геоакустические параметры, измеренные по образцам осадков, связывались с типом осадка. Такой подход позволил экстраполировать полученные данные на большие площади дна Баренцева моря.
Нужно отметить возможность повышения точности описания геоакустической модели за счет введения дополнительных характеристик позволяющих уточнить акустические свойства дна. В первую очередь это относится к увеличению числа типов осадка, описанию распределения в поверхностных осадках грубообломочного материала, в том числе и ледового разноса, степени газонасыщенности грунтов и т.д.
Генезис рельефа определяется по классификации форм рельефа шельфа арктических морей (Глава 4). Определение происхождения рельефа имеет принципиальное значение, так как без понимания генетических особенностей картографируемых форм невозможно их объективное обоснованное изображение. Кроме этого, карты, отражающие глубинное строение морского дна (карты изопахит) и карта поверхностных осадков были построены по рельефу. Таким образом, учитывалась генетическая связь современного облика морского дна с предыдущими этапами развития.
Для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) была разработана специальная методика (Глава 6).
В распределении поверхностных отложений наблюдается отчетливая связь между различными типами осадков и рельефом дна. Поэтому картирование поверхностных осадков проводилось по карте рельефа. Для выделения типов отложений была использована классификация Института океанологии РАН, разработанная А.П.Лисицыным, П.Л.Безруковым и В.П.Петелиным (табл. 8.2.-1).
