О времени проявления эпохи обильного речного стока в бассейне Волги

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Изменения поверхностного стока в прошлом за пределами периода инструментальных наблюдений изучаются разными методами — по положению культурных слоев археологических памятников [3, 10, 33, 35, 49, 50], по геоморфологическим следам экстремальных эрозионных событий [21, 39, 40, 41], по данным исторической географии [9, 32], путем количественных палеоклиматических реконструкций методом современных аналогов по палеофлористическим данным [2, 29]. Об изменениях расходов воды рек в геологическом прошлом можно судить по размерам древних речных русел. Размеры палеорусел на Восточно-Европейской равнине демонстрируют заметные изменения во времени [12, 16, 26, 27, 36, 43], что указывает на значительные изменения речного стока [18, 20]. Эти изменения происходили в условиях резких температурных колебаний конца последней ледниковой эпохи. В период примерно с 26 до 19 тыс. лет назад (л. н.) имел место так называемый глобальный максимум последнего оледенения с самой низкой температурой. Основная часть ледниковой эпохи (пленигляциал) еще продолжалась до ~14.7 тыс. л. н. Начавшееся после этого позднеледниковье включало две контрастные в температурном отношении эпохи — значительное потепление, состоявшее из двух фаз — бёллинг и аллерёд (14.7−12.9 тыс. л. н.), и похолодание, называемое поздним дриасом (12.9−11.7 тыс. л. н.) [30].

Среди древних речных русел, сохранившихся в рельефе поймы и низких террас, особое значение имеют так называемые большие палеорусла, размеры которых (ширина палеорусла, шаг излучин) превышают параметры современных рек в 2−5 раз и более. Большие палеорусла меандрирующего типа получили название “большие меандры”, или “макроизлучины” [11]. Они широко распространены в речных долинах Восточно-Европейской равнины [6−8, 12, 17, 29, 37, 47, 48] и Западной Сибири [19, 46].

В бассейне Волги большие палеорусла распространены практически повсеместно [23, 47]. По их размерам сделаны количественные оценки слоя стока в конце последней ледниковой эпохи, показывающие, что годовой сток в разных частях речной системы Волги был выше современного в 1.5−2.5 раз, а в замыкающем створе перед вершиной дельты — в 1.7−2.0 раза [22, 47]. Показано, что такого роста стока было достаточно для поддержания уровня Каспийского моря на отметках, близких к максимальным уровням раннехвалынской трансгрессии Каспия; следовательно, для объяснения этой трансгрессии не следует обосновывать наличие сторонних источников воды, таких как талый ледниковый сток и межбассейновые переливы [15, 22, 34, 47]. Проблемой остаются временные границы этой эпохи обильного речного стока — насколько они соответствуют хронологии изменений уровня Каспия. Определить временной интервал этой эпохи можно путем инструментального датирования времени активного формирования больших палеорусел. Для центра Восточно-Европейской равнины это время оценивается в интервале 18−13 тыс. л. н. [42], однако в этой оценке по бассейну Волги учитываются лишь единичные даты [47], что не позволяет надежно судить о возрасте этой эпохи в данном бассейне. Цель настоящей работы — получить систематические данные о возрасте больших палеорусел в бассейне Волги и на этой основе установить интервал эпохи обильного речного стока в поздневалдайскую эпоху.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Большие палеорусла имеют разные размеры и облик даже у одних и тех же рек. Это связано с изменением стока и расходов воды в пространстве и времени и с зависящим от них типом русла [25]. Кроме того, с течением времени морфологические элементы рельефа поймы меняются, нивелируются, из-за чего некоторые черты рельефа смазываются или даже исчезают. Авторами статьи принята классификация больших палеорусел из работы [14]. Всего различается шесть типов больших палеорусел: унаследованные макроизлучины, макроизлучины-староречья, меандровые цирки, прямолинейные, системы крупных грив и разветвленные.

В бассейне Волги больше всего унаследованных больших палеорусел — изгибов современного русла реки, повторяющих очертания крупных излучин, созданных ранее в условиях более высокого стока [23]. Особенно они характерны для узких речных долин, где у рек меньше пространства для русловых деформаций. Поскольку в таких случаях современные реки повторяют очертания своих древних русел, можно оценить лишь соотношение между шагами (половиной длины волны) макроизлучин и развитых на их фоне излучин современного русла (рис. 1а). Установить прямым измерением соотношение между древней и современной шириной русла не представляется возможным. Ширину реки в период формирования большого палеорусла можно оценить лишь косвенным путем по гидролого-морфологическим зависимостям через шаг макроизлучины. Размеры унаследованных макроизлучин могут быть больше современных в 5−6 раз и более, но типичное соотношение в бассейне Волги – в 3−4 раза [22]. Большая величина соотношения шагов древних и современных излучин может наблюдаться также у меандровых цирков (примером может служить р. Танып около Тангатарово) (рис. 1в) и систем крупных грив (р. Большой Иргиз около Малой Быковки) (рис. 1д), для которых также невозможно измерить ширину русла. В других случаях шаг прослеживается четко и его ширина может быть получена путем прямых измерений, как, например, у рек Сок (большое количество хорошо сохранившихся макроизлучин-староречий) (рис. 1б), Весляна (большое прямолинейное русло около села Оныл) (рис. 1г) и Чагодоща (следы разветвленного русла в районе впадения р. Мережи) (рис. 1е).

 

Рис. 1. Геоморфологические признаки обильного в прошлом речного стока в речных долинах бассейна Волги

 

В случае унаследованных макроизлучин нельзя однозначно оценивать их возраст как поздневалдайский (последняя ледниковая эпоха), особенно если их шпоры заняты высокими террасами или даже участками междуречья [23]. Кроме того, для определения возраста радиоуглеродным (¹⁴С) методом нужно найти аллювий, содержащий органические материалы (древесину, макроостатки растений и т. п.). В связи с этим объекты для бурения и дальнейшего определения возраста отбирались из числа хорошо сохранившихся в рельефе палеорусел-староречий, сохранившихся на поймах в стороне от пояса горизонтальных деформаций современной реки.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения времени активного развития палеорусла необходимо определить возраст его руслового аллювия. Для этого в больших палеоруслах осуществлялось бурение, а полученный керн расчленялся на генетические типы отложений, в том числе проводился фациальный анализ аллювия. Бóльшая часть буровых работ была выполнена на буровой установке “Прайд Маунт 80” (“Pride Mount 80”) на шасси УАЗ 3303 усовершенствованным шнековым способом. Шнек заворачивался на 1−2 м с обеспечением минимальной деформации отложений и затем поднимался вместе с керном. Отложения оказывались на поверхности в максимально ненарушенном состоянии с сохранившимися текстурами, новообразованиями, неорганическими и органическими включениями, доступными для их изучения в состоянии in situ и отбора на разные виды анализов.

Выбор мест бурения проводился перед полевыми выездами с использованием данных дистанционного зондирования. На космоснимках отбирались наиболее представительные участки, где хорошо выражены палеорусла с измеримыми параметрами. Из отобранных участков выбирались оптимальные с точки зрения транспортной доступности, а также хозяйственного использования (отсутствие инженерных коммуникаций, путепроводов и т. п.). Окончательный выбор объектов для бурения проводился на местности.

Разрезы колонок расчленялись согласно классическим представлениям об ожидаемой последовательности фаций в палеорусле [28] (сверху вниз): пойменная (как правило, суглинистая, маломощная, только в заполненных палеоруслах), старичная (гиттия, торф, суглинок), русловая (песок, гравий, галька – обычно в соответствии с крупностью современного аллювия). Возраст больших палеорусел определялся ¹⁴С-методом по органическим остаткам, содержавшимся в русловом аллювии. Образцы на датирование отбирались на месте бурения из зачищенного керна. В некоторых редких случаях удавалось отобрать крупные образцы с достаточно большим содержанием органического вещества в виде рассеянной органики или растительных остатков. Радиоуглеродное датирование таких образцов проводилось жидко-сцинтилляционным (LSC) методом в лаборатории геоморфологических и палеогеографических исследований полярных регионов и Мирового океана СПбГУ (лабораторный индекс LU). Применялась стандартная методика [1]. Из образца выделялась и очищалась подходящая для датирования фракция путем поочередной обработки растворами HCl и NaOH. Далее выделенная фракция через пиролиз переводилась в элементарный углерод (уголь), из которого путем взаимодействия угля с металлическим литием при 800°С в вакууме получался карбид лития. При разложении карбида лития водой получали ацетилен, который на ванадий-алюмосиликатном катализаторе превращался в бензол. В очищенный бензол добавлялись сцинтилляторы 2.5-дифенилоксазол (PPO) и 1.4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол (POPOP). Активность радиоуглерода в образце бензола определяли на низкофоновом жидкостно-сцинтилляционном спектрометре “Квантулус 1220” (“Quantulus 1220”). По результатам измерений образца, фона и стандарта вычислялся радиоуглеродный возраст.

Чаще всего в керне удавалось найти лишь небольшие прослои дисперсной органики или растительные ткани, ветки, в которых масса органического углерода была недостаточной для измерения возраста LSC-способом. В таких случаях определение ¹⁴С-возраста проводилось с применением ускорительной масс-спектрометрии (AMS). Очистка образцов от посторонних примесей, выделение датирующей фракции, получение графита и прессование графитовых мишеней для измерения ¹⁴C, графитизация стандартных образцов для измерений были проведены в ЦКП „Лаборатория радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии“ Института географии РАН (лабораторный индекс IGAN_AMS). Измерения проводились в Центре прикладных изотопных исследований Университета Джорджии (США).

После получения ¹⁴С-дат необходимо было привести их к астрономической шкале времени (откалибровать). Калибровка проводилась в среде OxCal 4.4 Online [44] по калибровочной кривой IntCal20 [45]. Калиброванные даты представлены как медианные значения возраста (календарных лет назад – кал. л. н.) со стандартным отклонением.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Всего по русловому аллювию больших палеорусел получено 11 дат (табл. 1). Дата на глубине 2.9 м на р. Пижме была сразу отброшена как инверсионная (вероятно, результат переотложения более древней органики). Распределение дат по интервалам возрастов показано на рис. 2, при этом от каждого палеорусла бралась одна, более древняя дата. В график на рис. 2 добавлено 5 дат по большим палеоруслам Дубны (15840 ± 80, 15620 ± 100 и 15310 ± 80 кал. л.н. [13]) и верхней Волги (16.7±1.5 и 15.4±1.0 тыс. кал. л. н., ОСЛ-даты [38]).

 

Таблица 1. Радиоуглеродные даты по аллювию больших палеорусел рек бассейна Волги и Северного Прикаспия (TOC – рассеянное органическое вещество, или общий органический углерод)

№ точки, широта/долгота	Река	Глубина от поверхности, м	Датированный материал, вмещающие отложения	14С возраст, л. н. (BP)	Калиброванный возраст, л. н. (BP)	Лабораторный индекс
19552, 57.1849° с.ш. 36.3356° в. д.	Медведица (л. п. Волги)	1.25	TOC в суглинке с кластерами песка	12805±35	15280±80	IGANAMS 7353
Mk-19-03, 54.6765° с. ш. 41.9288° в. д.	Мокша	3.2−3.3	TOC в переслаивании песка и суглинка	15075±40	18520±130	IGANAMS 7719
		5.2−5.3		15410±40	18744±51	IGANAMS 7720
20903, 54.5392° с. ш. 42.0455° в. д.		3.7	TOC в песке с прослоями суглинка	13680±40	16530±90	IGANAMS 9336
		4.4		13640±40	16470±80	IGANAMS 9337
20910, 56.5050° с. ш. 53.0385° в. д.	Иж	4.2	Растительные макроостатки в переслаивании песка и суглинка	12400±40	14530±180	IGANAMS 9678
20944, 57.7292° с. ш. 47.9323° в. д.	Пижма	2.9	TOC в переслаивании песка и суглинка	13630±50	16460±91	IGANAMS 9877
		4.35		12765±50	15224±86	IGANAMS 9878
211041, 53.0011° с. ш. 51.2717° в. д.	Самара	6.7−6.9	Растительные макроостатки в песке	12630±160	14920±330	LU-10550
211046, 53.2775° с. ш. 50.7860° в. д.	Большой Кинель	4.4-4.6	Растительные макроостатки в песчанистом суглинке	13000±250	15560±400	LU-10552
211107, 50.6898° с. ш. 47.9882° в. д.	Большой Узень	9.0	Растительные макроостатки в переслаивании суглинка с алевритом и тонким песком	13860±230	16800±330	LU-10558

 

Рис. 2. Гистограмма распределения дат по русловому аллювию больших палеорусел. Основные климатические эпохи последних 20 тыс. лет: до 19 тыс. л. н. – максимум последнего оледенения (LGM), до 14.7 – поздний пленигляциал (LPGL), до 12.9 – потепление бёллинг-аллерёд (Bo−Al), до 11.7 – похолодание поздний дриас (YD), после 11.7 – современное межледниковье (голоцен; Hl) (по [30])

 

Согласно полученным данным, возраст русловой фации аллювия изученных больших палеорусел в основном попадает в интервал 14.5−17.0 тыс. кал. л. н. Две даты из палеорусла р. Мокши имеют возраст ~18.7 тыс. кал. л. н. Однако это палеорусло Мокши не имеет увеличенных по сравнению с современной рекой размеров, а значит, может отражать сток реки ~19 тыс. л. н., не связанный с большими палеоруслами.

По литературным данным, обобщенным в работе [51], а также данным по бассейнам верхнего [7] и среднего Дона [11, 14], верхнего и среднего Днепра [12, 29, 36, 37], большие палеорусла формировались в Центральной и Восточной Европе 18−13 тыс. л. н. В работе [37] по причине более ранних дат начало фазы мощного речного стока отнесено к более раннему периоду. В работе [31] даты ранее 18 тыс. л. н. (их всего две) по русловому аллювию трактуются как свидетельство переотложения органического материала в аллювии. Исходя из результатов настоящего исследования, можно считать, что большие палеорусла в бассейне Волги формировались в период 17.0−14.5 тыс. кал. л. н., т. е. в конце пленигляциала – начале позднеледниковья, и вскоре после начала потепления бёллинг-аллерёд их формирование прекратилось (рис. 2). В распределении дат имеется перерыв в интервале 16.0−16.5 тыс. л. н., но небольшой объем данных пока не позволяет уверенно трактовать это как свидетельство перерыва между двумя фазами обильного стока. Не наблюдается и территориальных различий времени формирования больших палеорусел: в разных природных зонах и в разных частях бассейна Волги даты систематически не различаются (рис. 3).

 

Рис. 3. Пространственное положение датированных больших палеорусел бассейна Волги и медианные значения ¹⁴С дат по русловому аллювию. Зеленые точки – скважины с продатированным русловым аллювием, цифра рядом – возраст руслового аллювия

 

До сих пор практически не уделялось внимания изучению больших палеорусел долин рек, подтопленных водами раннехвалынского бассейна. Большие палеорусла могли сформироваться там только после отступания моря. Согласно последним данным [4], основная фаза трансгрессии с наиболее высоким подъемом уровня длилась с 17 до 15 тыс. л. н., однако по-прежнему неясно, в какой период времени береговая линия находилась на абсолютной (абс.) высоте +22 м. По [5], максимум трансгрессии продолжался вплоть до 13.5 тыс. л. н., что несколько позже времени прекращения обильного стока (возраста самых молодых больших палеорусел) в бассейне Волги. Из русловой фации большого палеорусла р. Большой Узень, располагающейся на высоте +23 м абс., получена ¹⁴C-дата ~16.8 тыс. л. н. (табл. 1), причем продатированный аллювий этого палеорусла располагался на уровне +21 м абс. Из пойменного аллювия той же реки с уровня +24 м абс. получена ¹⁴C-дата ~16.6 тыс. л. н. [24]. Эти данные говорят в пользу того, что максимум трансгрессии был раньше 16.5−17 тыс. л. н., однако уверенно утверждать это на настоящем этапе нельзя, поскольку полученные данные пока единичны.

ВЫВОДЫ

Большие палеорусла в бассейне Волги формировались в конце позднего плейстоцена, в интервале времени 17.0−14.5 тыс. л. н., т. е. в конце пленигляциала – начале интерстадиала (потепления) бёллинг-аллерёд. Различий во времени формирования больших палеорусел по всему бассейну Волги не установлено. Даты по отложениям руслового аллювия больших палеорусел бассейна Волги хорошо соответствуют последним данным о времени раннехвалынской трансгрессии Каспия.

About the authors

В. Ю. Украинцев

Институт водных проблем РАН; Институт географии РАН

Author for correspondence.
Email: celerymors@gmail.com
Russian Federation, Москва; Москва

Э. П. Зазовская

Институт географии РАН; Университет Джорджии

Email: celerymors@gmail.com
Russian Federation, Москва; Атенс, США

А. Л. Захаров

Институт географии РАН

Email: celerymors@gmail.com
Russian Federation, Москва

Ф. Е. Максимов

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: celerymors@gmail.com
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. Ю. Петров

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: celerymors@gmail.com
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

Supplementary files