Развитие Онежского озера в позднеледниковье по результатам ГИС-моделирования

Полный текст

Введение

Онежское озеро — второй по величине пресноводный водоем Европы. Площадь водной поверхности составляет 9700 км ², а объемом превышает 295 км ³ [2]. Озерная котловина расположена в глубокой тектонической депрессии на границе двух геологических структур — Фенноскандинавского (Балтийского) кристаллического щита и Русской плиты. Во время формирования плейстоценовых скандинавских оледенений она неоднократно была вместилищем ледниковых потоков, а в межледниковые периоды заполнялась водами морских и пресноводных водоемов [2]. Существует ряд авторских моделей развития котловины Онежского озера в позднеледниковье: М. Н. Порывкина [3], Г. С. Бискэ [4], Д. Д. Квасова [5], M. Saarnisto [6], И. Н. Демидова [1, 7] и др. Все эти модели по-разному оценивают уровни и размеры Онежского приледникового озера, а также гляциоизостатическое поднятие его берегов.

Масштабы покровного оледенения, положение и размеры приледниковых водных бассейнов, а также процессы, происходившие в их экосистемах, остаются одними из самых актуальных проблем современной палеолимнологии. При моделировании природных обстановок прошлого широкое применение нашли инструменты компьютерной картографии, в частности, с применением геоинформационных систем (ГИС) [8–11].

В нашей работе геоинформационные технологии используются для моделирования развития береговой линии Онежского озера и реконструкции этапов развития озера в позднеледниковье на основе обобщения сведений по колонкам донных отложений озер расположенных в пределах границ максимальной стадии развития Онежского приледникового озера.

Материалы и методы

Реконструкция развития Онежского озера в позднем плейстоцене была проведена с помощью современных программных средств ГИС на основе разработанной цифровой модели рельефа (ЦМР) котловины водоема и его водосборной территории [12]. Для построения цифровой модели в качестве основного рабочего инструмента применялось программное обеспечение фирмы Esri (ArcGIS for Desktop 10.2 с пакетом Spatial Analysis). Для моделирования водосборной территории нами была использована цифровая модель с Интернет-ресурса “ViewfinderPanoramas” [13], которая основана на ЦМР SRTM Геологической съемки США и имеет пространственное разрешение 90 м.

Данные о строении котловины получены с навигационных карт Онежского озера. Привязка положения береговой линии и островов осуществлялась при помощи спутниковых снимков с пространственным разрешением 50 м. Промеры глубин были оцифрованы в проекции UTM Merkator WGS 84, зона 36 для северного полушария. Расчет сетчатого файла производился в Surfer 10 с использованием метода кригинга, шаг сетки составлял 20 м. Затем ЦМР водосбора и котловины озера были совмещены с помощью ArcGIS for Desktop 10.2, пространственное разрешение получившейся модели 90 м.

При выполнении реконструкций учитывался перекос озерной котловины, возникший в результате прогиба земной коры под воздействием ледникового щита, а также последующего изостатического поднятия. Палеоуровень приводился к современной отметке уреза воды (33 м БС) путем преобразования цифровой модели рельефа. Для этого высотные данные интерполировались трехмерным полиномом 1-й степени с использованием Surfer 10 и вычислялся растр геостатического поднятия, отражающий величину изменения высотных отметок рельефа. В качестве входных данных для расчета растра служили разности отметок палеоуровней и современного уровня озера. Далее производилось вычитание растра геостатического поднятия из растра водосборной территории, содержащего котловину озера. Палеоуровень озера для периода 13.3 тыс. л. н. строился по отметке уреза воды, приведенной к современной (33 м). Для других временных интервалов — путем построения изолиний по отметкам 33 м ± Δh, где Δh — разница в положении вертикальных отметок исследуемого периода и 13.3 тыс. л. н.

Отметки уровня водоема в различные геологические периоды заимствованы из литературных источников [1, 4–7, 14–18 и др.]. Эти, а также новые данные, полученные нами в ходе полевых исследований, были обобщены в базе данных PaleoOnego [19], включающей в себя детальное описание 60 разрезов донных отложений. В общей сложности для реконструкций было использовано более 30 высотных отметок.

В качестве исходной концепции для палеореконструкций была принята поэтапная модель дегляциации котловины Онежского озера, предложенная И. Н. Демидовым [1]. По приведенной выше методике были реконструированы шесть основных этапов развития котловины озера в позднеледниковье [1, 7].

Результаты

Реконструированы шесть основных этапов развития Онежского озера в позднеледниковье (рис. 1–6) и определены некоторые его морфометрические характеристики. Подготовленный в результате работы картографический материал доступен в электронной форме [20]. Для каждого из этапов рассчитана площадь водоема. Результаты реконструкций согласуются с моделью развития котловины Онежского озера в позднеледниковье И. Н. Демидова [1, 7],

I этап (рис. 1). Начало формирования приледникового озера в результате таяния ледника (14.5 тыс. л. н.). В настоящее время его уровень фиксируется на отметках 120–130 м [5]. В дальнейшем уровень снизился до 106 м из-за размыва рыхлых отложений на пороге стока Ошта-Оять в юго-западной части котловины. Площадь водоема в этот период не превышала 3000 км ².

II этап (рис. 2). Освобождение южной и центральной частей котловины озера от ледникового покрова (14.0 тыс. л. н.). Таяние ледника вследствие продолжающегося потепления климата приводит к смещению его границ к северу. Площадь водоема в этот период достигла 14 000 км ².

III этап (рис. 3). Максимальное развитие приледникового озера (13.3 тыс. л. н.). Озеро достигло наибольших размеров, его уровень в настоящее время фиксируется на отметках 140 м на западе и 115 м на востоке, 120–125 м на севере и 75–85 м на юге [1, 7]. Площадь водоема в этот период составляла около 33 000 км ².

IV этап (рис. 4). I-я регрессия (13.2 тыс. л. н.). На этом этапе регрессии уровень озера понизился не более чем на 10 м [1], площадь водоема уменьшилась до 26 000 км ².

V этап (рис. 5). II-я регрессия (12.4 тыс. л. н.). Уровень озера снизился примерно на 15 м [7]. Площадь водоема сократилась до 24 000 км ².

VI этап (рис. 6). III-я регрессия (12.3 тыс. л. н.). Падение уровня водоема составило примерно 20 м [1]. Площадь водоема уменьшилась до 18 000 км ².

 

Рис. 1. Начальная стадия формирования Онежского приледникового озера (14.5 тыс. л. н.)

1 — ледник; 2 — палеоуровень озера; 3 — современный уровень озера; 4 — направление стока

 

Рис. 2. Освобождение котловины Онежского озера (14.0 тыс. л. н.)

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Рис. 3. Максимальное развитие Онежского приледникового озера (13.3 тыс. л. н.)

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Рис. 4. Первая регрессия Онежского озера (13.2 тыс. л. н.)

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Рис. 5. Вторая регрессия Онежского озера (12.4 тыс. л. н.)

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Рис. 6. Третья регрессия Онежского озера (12.3 тыс. л. н.)

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Обсуждение

Исследование и моделирование изменения пространственных характеристик Онежского озера позволило провести качественную и количественную реконструкцию палеогидрологических изменений в регионе в позднем плейстоцене. Для проверки достоверности выполненных интерполяций проведено их сравнение с палеореконструциями И. Н. Демидова [1, 2, 7]. Сравнение очертания линий берегов и островов, изображенных на картосхемах, а также отметок уровня воды для отдельных участков выявило, что положения береговой линии и ее общие очертания на полученных схемах сопоставимы с палеореконструкциями выполненными ранее (рис. 7). При этом следует отметить, что наши реконструкции, выполненные на основе цифровой модели рельефа с использованием программных средств ГИС, более детальны и позволили рассчитать ряд пространственных характеристик озера на различных этапах его развития.

 

Рис. 7. Сравнение палеореконструкций

Реконструкции: (а) — И. Н. Демидова [1, 2, 7], (б) — выполненные авторами статьи.

Усл. обозначения см. рис. 1

 

Начальный этап формирования озера связан с потеплением климата в бёллингском межстадиале, обусловившем интенсивное таяние ледника и его отступление от краевых образований лужской стадии. Это привело к тому, что около 14.5 тыс. л. н. в районе южного побережья современного Онежского озера стал формироваться приледниковый водоем (рис. 1). Возможно, на самых ранних этапах развития Онежское приледниковое озеро входило в систему Верхневолжских озер, для которых был характерен уровень 120–130 м [5]. Чуть позже, около 14.4 тыс. л. н., произошло открытие стока в юго-западном направлении в бассейн Балтики по долине рек Ошта — Тукша — Оять и снижение уровня приледникового озера до 106 м [1].

Продолжающееся в аллерёде потепление способствовало таянию ледника и постепенному освобождению озерной котловины ото льда. Около 14.3 тыс. л. н. край ледника отступил из района современной долины р. Свири и Онежское приледниковое озеро получило новый, более низкий порог стока [17]. В результате уровень водоема в южной части упал до 85–75 м и сохранялся на этих отметках на протяжении почти 900 лет [7]. Около 14.0 тыс. л. н. северная часть озерной котловины, включая Заонежский полуостров, все еще была занята льдом (рис. 2). На северо-западе край ледника протягивался вдоль северных границ Шуйской низменности, где в это время существовал приледниковый водоем. Площадь озера увеличивается до 14 000 км ².

Около 13.3 тыс. л. н. (к концу аллерёда) Онежское приледниковое озеро достигло максимальных размеров (33 000 км ²), превысив современные размеры более чем в три раза, и вышло далеко на север за пределы современного водосбора (рис. 3). Край ледника протягивался от северного побережья Ладожского озера к Белому морю, при этом водоем оставался прогляциальным и непосредственно контактировал с краем ледника на западных побережьях современных озер Выгозеро, Сегозеро, Сямозеро, Шотозеро. Он включал современные озерные котловины Сегозера и Выгозера которые находятся сейчас на отметках от 140 м на западе до 115 м на востоке, Шуйскую низменность в пределах современных отметок 120–130 м и значительные площади Водлинской и Ивинской низменностей [5]. В районе Медвежьегорска и Петрозаводска уровень Онежского приледникового озера в настоящее время фиксируется на отметках 120–125 м, в южном Прионежье — 85–75 м [1]. В этот период на дне приледникового водоема отлагались типичные ленточные глины.

Масштабная регрессия в конце аллерёда–начале позднего дриаса происходила в несколько этапов [1]. Об этом свидетельствует строение и положение высотных отметок порогов стока и основных флювиогляциальных дельт, а также положение края ледника во время регрессии. Снижение уровня отразилось на строении береговых и донных отложений водоема. На первом этапе регрессии озеро получило новый северный порог стока в котловину Белого моря, что привело к снижению уровня пра-Онеги на 10 м [1]. Уровень воды в озере определялся высотой порога стока на Онежско-Выгозерском водоразделе (рис. 4). Отделились котловины Сегозера и Выгозера, площадь водоема сократилась почти в полтора раза.

На втором этапе возник новый западный порог стока через северную часть Онежско-Ладожского водораздела в котловину Ладожского озера (рис. 5), залитую в то время водами другого крупного приледникового озера — Балтийского. Уровень озера значительно снижается, после чего на протяжении почти всего позднего дриаса, наступил длительный (почти 1000 лет) период его стабилизации. Существует предположение, что в результате снижения уровня воды в Онежском озере изменилась гидрохимическая обстановка на границе вода–донные отложения. Это вызвало окисление приповерхностного горизонта донных осадков и формирование маркирующего горизонта розовато-коричневатых ленточных глин (“розового” горизонта) мощностью 10–15 см, широко распространенного практически по всей площади дна Онежского приледникового водоема [1].

В конце позднего дриаса, около 11.5 тыс. л. н., после возобновления стока через долину р. Свирь в Ладожское озеро, произошла очередная регрессия Онежского озера (рис. 6), уже потерявшего связь с отступившим на запад краем ледника [1]. Существенное снижение уровня воды привело к осушению больших площадей в береговой зоне, и значительному врезанию рек и сокращению на треть площади водоема.

Заключение

Разработана цифровая модель рельефа котловины Онежского озера и его водосбора. На ее основе с применением программных средств ГИС проведены палеогеографические реконструкции уровня озера в шесть основных этапов развития котловины озера в позднеледниковье. Построена серия детальных картосхем и рассчитаны площади водоема для основных этапов развития озера в позднеледниковье. Морфометрические и гидрологические характеристики озера значительно изменялись в процессе его формирования. Таяние ледника и климатические изменения позднего аллерёда (около 13.3 тыс. л. н.) привели к увеличению площади озера до 33 000 км ², превышавшей более чем в 3 раза его современный размер. Детальные реконструкции согласуются с концепцией развития котловины Онежского озера в позднеледниковье. Подтверждено, что масштабная регрессия, имевшая место в конце аллерёда — начале позднего дриаса, проходила в три этапа, как это было предложено И. Н. Демидовым в модели дегляциации котловины Онежского озера [1, 7], а также уточнены места расположения основных порогов стока. Полученные количественные данные о пространственных характеристиках озера послужат основой для расчета объемов водоема и объема стока.

Благодарности. Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-17-00766 “Онежское озеро и его водосбор: история геологического развития, освоение человеком и современное состояние”).

Acknowledgments. The study has been financially supported by the Russian Science Foundation (project 14-17-00766 “Lake Onego and its watershed: geological history, anthropogenic transformation and current state”).

Об авторах

Д. А. Субетто

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН; Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена

Автор, ответственный за переписку.
Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск; Санкт-Петербург

М. С. Потахин

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск

М. Б. Зобков

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск

А. Ю. Тарасов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН; Институт языка, литературы и истории КарНЦ РАН

Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Т. С. Шелехова

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН; Институт геологии КарНЦ РАН

Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск

В. А. Гурбич

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: subetto@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Список литературы

Дополнительные файлы