CC BY
52
УДК 551.462.33
О.А. Хлебникова1, А.А. Иванова2, А.М. Никишин3, А.Г. Росляков4, А.В. Старовойтов5
АНАЛИЗ ГРАВИТАЦИОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МАТЕРИКОВОГО СКЛОНА И ЕГО ПОДНОЖИЯ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ6
В результате анализа новых 3D и 2D сейсмических данных детально описан рельеф морского дна материкового склона и его подножия в северо-восточной части Черного моря, а также выявлены разнообразные гравитационные процессы. Установлено, что заключительная фаза активного развития литодинамических процессов обусловлена новоэвксинской регрессией бассейна, связанной с последним оледенением, она завершила развитие более 10 тыс. лет назад. Неровности, образованные в результате позд-неголоценовых оползаний, также имеют место, но их вклад незначителен, а амплитуда редко превышает 1 м.
Ключевые слова: материковый склон, гравитационные процессы, оползни, Черное море.
Analysis of new 3D and 2D seismic data made it possible to describe in detail the continental slope relief of the northeastern part of the Black Sea, and a large number of gravitational processes of various types. It is established that the final phase of the active lithodynamic processes development is due to the NovoEvksin regression of the basin associated with the last glaciation and completed its development more than ten thousand years ago. The irregularities formed as a result of late Holocene landslides also occur, but their contribution is insignificant, and the amplitude rarely exceeds 1 m.
Key words: continental slope, gravitational processes, landslides, Black sea.
Введение. Анализ древних отложений, сформированных в обстановке материкового склона и его подножия, крайне затруднителен, так как в этих морфологических зонах структура осадочного чехла в значительной степени образована разнообразными литодинамическими процессами, действие которых может существенно усложнять строение разреза. Диагенетические и тектонические преобразования, происходящие в дальнейшем с отложениями, а также ограниченность доступных обнажений не позволяют детально реконструировать процессы и явления, под действием которых сформировалась толща пород.
Цель наших исследований — изучение особенностей гравитационных процессов седиментации в пределах материкового склона и его подножия по данным сейсморазведки на примере северо-восточной части Черного моря. Проблема гравитаци-
онных перемещений осадков в морях и океанах крайне важна и имеет огромное значение как при изучении процессов седиментации [Лонгинов, 1973], так и при инженерно-геологических изысканиях, когда активно промышленно осваиваются шельф и материковый склон.
Материалы и методы исследований. Для анализа современных процессов седиментации использованы следующие данные: сейсмический куб данных 3D МОГТ; данные 2D непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСАП). Участок исследований расположен в северо-восточной части Черного моря, южнее Керченского п-ова, в нижней части материкового склона (глубина воды от 1100 до 2100 м, рис. 1).
Стратиграфия изучаемьх отложений. Так как рассматриваемая территория относится к аккумулятивному участку современного материкового
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра региональной геологии и истории Земли, ассистент; e-mail: oxana.khlebnikova@gmail.com
2 ООО «Центр анализа сейсмических данных МГУ имени М.В. Ломоносова», отдел интерпретации геолого-геофизических данных, геофизик; e-mail: a.ivanova@sc-lmsu.com
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра региональной геологии и истории Земли, заведующий, профессор; e-mail: nikishin@geol.msu.ru
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра литологии и морской геологии, науч. с.; e-mail: arosl@rambler.ru
5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра сейсмометрии и геоакустики, доцент; e-mail: starovoytov_msu@mail.ru
6 Работа выполнена в рамках темы «Разработка программно-аппаратных комплексов для поиска, разведки, геофизического и геохимического мониторинга разработки месторождений углеводородов, в т.ч. в труднодоступных регионах и сложных природно-климатических условиях» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации».
Соглашение № 14.607.21.0187 О предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. Уникальный идентификатор соглашения RFMEFI60717X0187.
Феодосия
О
JMgг"
.........................;
.........•** ....60":
*. •...•*' В"*...........«.'£*
Рис. 1. Фрагмент снимка земной поверхности (программа GoogleMap) с нанесенными изобатами (А), область исследований расположена в нижней части материкового склона с глубиной воды 1000—2000 м: 1 — область исследований; 2 — положение регионального профиля АГА2; 3 — изобаты, сечение через 50 м; и интерпретация регионального профиля с основными тектоническими элементами Черноморского бассейна (Б), по [Nikishin et al., 2015]. Pli — плиоцен, Mio — миоцен, Oli — олигоцен,
Eo — эоцен; 4 — населенные пункты
склона со сложным строением [Туголесов и др., 1985] и для нее отсутствуют скважинные данные, то стратиграфическая привязка неоднозначна и носит условный характер.
Стратиграфия верхней части осадочного чехла в пределах изучаемого участка устанавливается путем сопоставления имеющихся материалов и данных региональной сейсмической съемки
Рис. 2. Сейсмический профиль во временном масштабе (с), иллюстрирующий общее строение изучаемого разреза; на врезке -
положение профиля
Черноморского бассейна [Старовойтов, 1985; Афа-насенков и др., 2007; №М8Ып е! а1., 2015].
Данные 3D МОГТ охватывают неоген-четвертичный интервал разреза на глубину до 2 км от поверхности морского дна. Этими исследованиями охвачен стратиграфический интервал верхнего плейстоцена—голоцена (наиболее молодая придонная часть разреза мощностью до 470 м).
Строение разреза. Площадь исследований расположена в нижней части материкового склона на подводном конусе выноса Палеодона и Пале-окубани [Евсюков, 2007] на глубине 1130—2090 м. По результатам анализа волновой картины в осадочном чехле по вертикали можно выделить две крупные части разреза, кардинально отличающиеся структурой осадочного чехла (рис. 2). Нижняя часть разреза представлена хорошо стратифицированным сейсмическим осадочным комплексом с субгоризонтальными протяженными осями синфазности. В кровле этого комплекса выделен четкий отражающий горизонт (ОГ), уверенно прослеживающийся на всей площадке (Н1). Выше этого горизонта волновая картина осадочной толщи резко меняется — протяженных отражающих горизонтов становится значительно меньше, и разрез приобретает в целом хаотическое строение по сравнению с нижним комплексом. Главная особенность разреза — резкие изменения типа волновой картины как по вертикали, так и по латерали. Подобное строение осадочного чехла типично для подводных конусов выноса, где основную роль играют процессы перемещения осадков под действием силы тяжести. Очевидно, что в условиях значительного смещения осадочных масс выделить региональные отражающие горизонты на ограниченной площадке довольно сложно, тем более что более молодые движения могут захватывать на отдельных участках ниже-
залегающие осадки, уничтожая таким образом отражающие горизонты.
Исходя из этого в части разреза, залегающей выше горизонта Н1, границы между сейсмическими комплексами были выделены по двум критериям: а) выбирали наиболее протяженные в пределах площадки отражающие горизонты; б) анализировали отличия волновой картины выше и ниже выделенного отражающего горизонта, что служит одним из признаков наличия несогласия. Кроме горизонта Н1, выше по разрезу выделено 4 отражающих горизонта (Н2, Н3, Н4, Н5 (дно)), т.е. разрез был разделен на 5 сейсмических комплексов (рис. 2). Для решения поставленных задач проведен детальный анализ сейсмокомплекса 5 (СК5), так как особенности внутреннего строения и рельеф поверхности дна свидетельствуют о том, что в этом комплексе имеются признаки смещения отложений разного типа, в том числе современные.
Сейсмокомплекс 5, кровля которого представлена отражающим горизонтом Н5 (т.е. поверхность морского дна), выделяется на всей площадке. Мощность отложений комплекса меняется от 50 до 470 м. На многих участках его верхняя часть представлена осадками со слоистой волновой картиной, характерной для современных ненарушенных отложений. Внутреннее строение сейсмо-комплекса довольно сложное. Кроме отложений осадочных потоков, характеризующихся резко меняющейся мощностью и хаотической волновой картиной, выделяются палеодолины, а также выраженные в рельефе дна (современные) довольно узкие (несколько сотен метров) эрозионные врезы, оползневые ступени, отдельные оползневые тела, широкие эрозионные долины (до нескольких километров), на дне которых присутствуют оползневые отложения и отложения осадочных потоков небольшой мощности и т.д. Эти особенности
2090
Рис. 3. Цифровая модель рельефа морского дна на участке исследований. Стрелками показаны основные элементы рельефа
Рис. 4. Фрагмент сейсмического профиля во временном масштабе (с), иллюстрирующий поперечное сечение эрозионной долины; на врезке — положение профиля
строения отражены и в рельефе поверхности ОГ Н5 — поверхности дна (рис. 3).
Анализ отложений придонного сейсмического комплекса. В придонном сейсмокомплексе 5 (между ОГ Н4 и Н5) выделены главные особенности структуры осадочного чехла, генезис которых обусловлен действием различных литодинамических процессов: 1) оползневые тела, 2) палеоканалы, 3) современные врезы, 4) крупная эрозионная долина, 5) отложения обломочных потоков.
Наиболее ярко выраженный элемент в рельефе морского дна — эрозионная долина (рис. 3).
Она, очевидно, образовалась в результате срыва мощной толщи осадков. В разрезе хорошо выделяются недеформированная слоистая толща, залегающая согласно поверхности скольжения, и зона, подверженная деформации в результате бокового давления оползня (рис. 4). Ширина долины в самой узкой видимой части составляет 6,5 км, в наиболее широкой — 14 км. Толщина слоя осадков в среднем около 40—50 м, максимальная — 120 м.
В пределах эрозионной долины, а также на разных участках рассматриваемой территории наблюдается множество оползневых тел как с
Рис. 5. Фрагмент сейсмического профиля во временном масштабе (с) вдоль оползневого тела, на врезке — положение профиля
Рис. 6. Пропорциональный слайс по кубу «Когерентность» на глубине 10—300 м от поверхности морского дна (А), хорошо прослеживаются русла и конусы выноса палеоканалов, отложения обломочных потоков (MTD); и пропорциональные слайсы по кубу «Амплитуда» на глубине от поверхности морского дна в месте первоначальной восточной переходной точки, м: Б — 105,
В — 95, Г — 85, Д — 75
сохранившемся внутренней структурой, так и дезинтегрированных. Часто внутри оползневого тела хорошо различима головная часть с многочисленными мелкими разрывными нарушениями, образованными под действием нагнетания массы (рис. 5).
Следующие объекты, которые детально рассмотрены, — системы каналов и палеоканалов. Проанализируем их начиная с самых древних (в рассматриваемом интервале разреза).
В верхней части разреза обнаружен канальный склоновый комплекс. Для рассмотрения объекта в плане были рассчитаны седиментационные слайсы (рис. 6), которые представляют собой амплитудные срезы сейсмического куба по палеогеоизохронным поверхностям. Положение и форма таких слай-сов прогнозируется с заданным шагом на основе интерполяции между опорными отражающими горизонтами в зависимости от типа напластования пород.
Рис. 7. Фрагмент сейсмического профиля во временном масштабе (с) через отложения выделенных обломочных потоков (MTD),
на врезке — положение профиля
Русла каналов имеют меандры, но со временем практически не меняют свое положение. Важно отметить, что каналы имеют прирусловые валы (levee), процесс образования которых на данный момент остается дискуссионным [Posamentier, Kolla, 2003; Kolla et al., 2007]. Ширина основных русел колеблется от 350 до 600 м, углы наклона бортов достигают 30°, максимальная мощность выполняющих долины осадков —110 м. Размер конуса выноса на наиболее глубоком седиментационном слайсе составляет 2,4x4,5 км и возрастает вверх по разрезу до 9x 14,6 км, мощность осадков колеблется от 0 до 200 м.
Серия седиментационных слайсов по данным более высокого разрешения позволяет проследить закономерности изменения конуса выноса во времени и его взаимодействие с обломочным потоком, развивающимся параллельно. На наиболее глубоком слайсе (рис. 6, Б) хорошо прослеживается, что обломочный поток имеет доминирующее положение и срезает начинающий развиваться конус выноса. Однако на менее глубоких слайсах (рис. 6, В, Г) отмечено увеличение размеров и усложнение внутренней структуры конуса выноса, а также постепенное уменьшение обломочного потока, происходит смена доминирующего процесса.
Переходные точки каналов к конусу выноса постепенно смещаются в сторону глубоководной части моря, что свидетельствует о снижении песчанистости переносимых системой осадков [Posamentier, Kolla, 2003; Kolla et al., 2007; McHargue et al., 2011], рис. 6, Г, Д.
На север-северо-востоке площади наблюдается другая система каналов. На сейсмических профилях выделяются два широких пассивных русла заполнения [Posamentier, Kolla, 2003; Kolla et al., 2007], которые на юго-востоке объединяются, и их ширина постепенно уменьшается. Далее на юго-восток рассматриваемое русло срезано крупным обломочным потоком и не имеет видимого продолжения. Несмотря на яркое отражение этой системы в современном рельефе дна, нельзя однозначно определить, происходит ли перенос и отложение осадков в настоящий момент.
Канал, движение осадков по которому, вероятно, происходит в настоящий момент, обнаружен на
северо-востоке площади и представляет собой некомпенсированный осадками каньон с и-образной формой русла. Канал не имеет меандров и простирается с севера на юг. Глубина русла примерно 40 м, ширина 250—300 м. На глубине моря 1860 м на поверхности дна наблюдается переход канала в конус выноса, длина последнего составляет 13 км, максимальная ширина 3 км. Конус выноса расположен поверх крупного обломочного потока и нивелирует все неровности его поверхности. Угол наклона склона меняется от 0,75 до 0,57° при переходе от каньона к конусу выноса и уменьшается к абиссали.
В пределах изучаемой территории в СК5 выделена серия крупных обломочных потоков. Вдоль отражающего горизонта Н4 (подошва рассматриваемого комплекса) практически повсеместно распространены обломочные потоки, которые контактируют между собой или перекрыты другими потоками. Границы отдельных тел выделить часто затруднительно. Всего выявлено три отдельных обломочных потока (рис. 7):
— юго-западный — самый широкий, выходящий за границы площади, но маломощный (до 100 м);
— центральный — протягивается узкой полосой с севера на юг, имеет линзовидную форму в разрезе, максимальная мощность 130 м;
— восточный — хорошо выражен в рельефе дна, наиболее молодой, также выходит за пределы площади, мощность достигает 220 м.
Позднеплейстоценовый—голоценовый этап развития бассейна. Для изучения этого этапа наиболее информативны данные непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСАП). Съемка НСАП не покрывает всю площадь трехмерных исследований. По полученным данным наблюдаемый рельеф обусловлен более ранними оползневыми процессами. Обнаружен слой глинистых илов, облекающий неровную поверхность погребенных оползневых массивов и отложений обломочных потоков (рис. 8). Вероятнее всего, этот слой с постоянной мощностью 6—7 м образовался в результате фоновой седиментации бассейна. По данным геотехнического опробования самые
Рис. 8. Кривая изменения уровня Черного моря, составленная на основе данных [Янина, 2012], и фрагмент сейсмического профиля по данным НСАП во временном масштабе (с); на врезке — положение профиля
молодые осадки мощностью от 0,5 до 1,5 м относятся к черноморским слоям, возраст подошвы которых составляет 9,8 тыс. лет [Янина, 2016]. Ниже залегают новоэвксинские слои, нижнюю границу которых опробованием определить не удалось. Таким образом, крупные гравитационные процессы завершили развитие более 10 тыс. лет назад (л.н.). Последний благоприятный этап для формирования оползневых тел — крупная ново-эвксинская регрессия (рис. 8), реальные масштабы которой остаются дискуссионными. По реконструкциям [Каплин, Щербаков, 1986; Щербаков, 1982] в период максимума регрессии Азовское море представляло собой низменную прибрежную равнину, по которой протекала р. Дон. Устье Дона находилось на 50 км южнее Керченского пролива. Таким образом, площадь исследований частично покрывает территорию палеодельты Дона.
Вероятно, заключительная фаза активного развития литодинамических процессов связана с новоэвксинской регрессией, абсолютный возраст которой разные исследователи оценивают по-разному, например около 22—17 тыс. л.н. [Янина, 2012]. Затем последовал этап интенсивной трансгрессии с накоплением единой трансгрессивной толщи осадков, который, по [Щербаков и др., 1977; Осадконакопление..., 1978], относится к интервалу 12—15 тыс. л. н. К рубежу 8—9 тыс. л. н. уровень моря достиг отметки —30 м [Янина, 2012], с этого момента начался черноморский этап развития бассейна. Обзор многочисленных публикаций, посвященных черноморской голоценовой трансгрессии, приведен в работе [Янина, 2012]. Единого принятого сценария развития бассейна нет, исследователи предлагают разные схемы постепенного повышения уровня моря, осложненного несколькими трансгрессивно-регрессивными фазами, которые в свою очередь осложняются более мелкими событиями. Приведенная нами
кривая изменения уровня Черного моря (рис. 8) по крупным трансгрессивно-регрессивным событиям составлена на основе работы [Янина, 2012] и не отражает краткосрочные флуктуации.
Заключение. В результате анализа сейсмических данных северо-восточной части Черного моря удалось выявить широкое развитие склоновых процессов разного типа. Данные геологических и геоморфологических исследований показывают, что на всей изучаемой площади наблюдаются оползание осадков, системы каналов с прирусловыми валами, каньоны, обломочные потоки, ближе к подножию склона — конусы выноса. Сложное взаимодействие разнообразных процессов определяет как характер строения разреза, так и сложный, расчлененный рельеф поверхности морского дна.
Однако, несмотря на яркое отражение в рельефе, практически все крупные гравитационные процессы на рассматриваемом участке континентального склона Черного моря на данный момент не активны. Подтверждением этому служит повсеместно распространенный слой глинистых илов, облекающий оползневые тела и отложения обломочных потоков. Наличие такого рода придонных осадков свидетельствует о высоком стоянии уровня моря, когда количество поступающего в бассейн осадочного материала из внешних источников сокращается, и основным процессом формирования донных отложений становится фоновая седиментация.
Заключительная фаза активного развития ли-тодинамических процессов обусловлена регрессией бассейна, связанной с последним оледенением. В то время шельф большей частью был осушен, и реки несли обломочный материал практически сразу на материковый склон, скорость осадкона-копления резко увеличивалась и вследствие этого осадки были нестабильны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Афанасенков А.П., Никишин А.М., Обухов А.Н. Геологическое строение и углеводородный потенциал Восточно-Черноморского региона. М.: Научный мир, 2007. 172 с.
Евсюков Ю.Д. Геоморфологическая характеристика и история развития притаманской материковой окраины // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2007. № 2. С. 86-97.
Каплин П.А., Щербаков Ф.А. Реконструкция палеогеографических обстановок на шельфе в позднечет-вертичное время // Океанология. 1986. Т. 26, вып. 6. С. 976-980.
Лонгинов В.В. Очерки литодинамики океана. М.: Наука, 1973. 244 с.
Осадконакопление на континентальной окраине Черного моря. М.: Наука, 1978. 250 с.
Старовойтов А.В. Структура плиоцен-четвертичных отложений и гравитационные процессы на континентальном склоне и его подножии в Черном море: Авто-реф. канд. дисс. М., 1985.
Туголесов Д.А., Горшков А. С., Мейснер Л.Б. и др. Тектоника мезокайнозойских отложений Черноморской впадины. М.: Недра, 1985. 215 с.
Щербаков Ф.А. Колебания уровня Черного моря и их связь с трансгрессиями и регрессиями океана в плейстоцене // Изменения уровня моря. М., 1982. С. 189-194.
Щербаков Ф.А., Куприн П.Н., Забелина Э.К. и др. Палеогеография Азово-Черноморья в позднем плейстоцене
и голоцене // Палеогеография и отложения плейстоцена южных морей СССР. М.: Наука, 1977. С. 51-60.
Янина Т.А. Неоплейстоцен Понто-Каспия: биостратиграфия, палеогеография, корреляция. М., 2012. 264 с.
Янина Т.А. Поздний плейстоцен Понто-Каспия (палеогеографический анализ малакофаунистических данных) // Золотой век российской малакологии: Мат-лы Всеросс. конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. В.Н. Шиманского. Москва-Саратов, 2016. С. 290-295.
Kolla V., Posamentier H.W., Wood L.J. Deep-water and fluvial sinuous channels — Characteristics, similarities and dissimilarities, and modes of formation // Marine and Petrol. Geol. 2007. Vol. 24, N 6. P. 388-405.
McHargue T, Pyrcz M.J., Sullivan M.D. et al. Architecture of turbidite channel systems on the continental slope: patterns and predictions // Marine and Petrol. Geol. 2011. Vol. 28, N 3. P. 728-743.
Nikishin A.M., Okay A.I, Tuysuz O. et al. The Black Sea basins structure and history: New model based on new deep penetration regional seismic data. Pt 1. Basins structure and fill // Marine and Petrol. Geol. 2015. Vol. 59. P. 638-655.
Posamentier H.W., Kolla V. Seismic geomorphology and stratigraphy of depositional elements in deep-water settings // J. Sediment. Res. 2003. Vol. 73, N 3. P. 367-388.
Поступила в редакцию 12.12.2017
