CC BY
61
_____ _______ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.461
ФАКТОРЫ ЭВСТАЗИИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ © 2003 г. В.В. Ковалев
Climatic, geological, anthropogenic and cosmic factors hewe been considered.
Каспийское море - это целостная геосистема, в которой взаимодействуют различные процессы и факторы. Для правильного понимания природы колебания и разработки научно обоснованного прогноза изменений уровня (эвстазии) моря необходимо учесть совместное действие этих факторов, определить степень влияния каждого из них в отдельности.
Резкое повышение уровня в конце 70 - начале 80-х гг. прошлого столетия показало несостоятельность большинства прогнозов и значительно поколебало устои воднобалансовой теории изменения уровня. В результате появилось противостояние с одной стороны климатологов и гидрологов, с другой - геологов. Соответственно появились две основные концепции изменения уровня Каспийского моря: климатическая и геологическая.
Большинство географов, гидрологов и океанологов считают, что главная причина колебаний уровня Каспийского моря связана с климатическими изменениями в бассейнах рек и над самим водоемом. При этом обычно исследовали уравнение водного баланса Каспийского моря и анализировали его составляющие: речной сток, осадки на акваторию моря, испарение с поверхности моря.
В то же время все большее распространение получают различные варианты геологической концепции колебаний уровня моря. Так, некоторые геологи видят в качестве главной причины колебания уровня Каспия вертикальные и горизонтальные тектонические движения, процессы растяжения-сжатия пород, непостоянство подземного стока.
Автор настоящей публикации считает, что искать причину разгадки непредсказуемых колебаний Каспия следует не в анализе определенного фактора, а в комплексном исследовании всех причин и факторов, влияющих на эвстазию Каспийского моря.
Климатические факторы. К климатическим факторам, влияющим на уровень Каспийского моря, относятся: поверхностный сток; атмосферные осадки, выпадающие на акваторию; испарение с поверхности моря.
Поверхностный приток с водосборной площади Каспийского моря складывается из стока рек Волги, Урала, Терека, Сулака, Самура, Куры, малых кавказских рек и рек Иранского побережья. Волга, бассейн которой составляет около 40 % территории водосборного бассейна Каспия, площадью 1 384 ООО км2, опре-
деляет основную часть поверхностного притока к морю, достигающую 80 % общего объема.
Результаты табл. 1 показывают, что трансгрессивным стадиям развития водоема соответствует несколько повышенный поверхностный сток, хотя в период катастрофического повышения уровня, за исключением 1979 г., сток был близок к среднемноголетнему. Расчеты показали, что изменение поверхностного стока не могло существенно повлиять на резкое повышение уровня.
Таблица 1
Поверхностный сток в Каспийское море за период 1900 - 2002 гг.
Годы Уровень моря, м Сток рек, км3
1900-1929 -26,18 335,7
1930-1941 -26,80 268,6
1942-1969 -28,18 285,4
1970-1977 -28,64 240,5
1978-1982 -28,54 310,9
1983-2002 -27,10 310,0 •
Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность моря, играют немаловажную роль в водном балансе. Средняя (для всего Каспийского моря) годовая сумма осадков, полученная путем планиметрования годовой карты осадков, составляет (без залива Кара-Богаз-Гол) 171 мм, причем 60 % этого количества (107 мм) выпадает в холодное полугодие (октябрь -март) и только 40 % - в теплое (апрель — сентябрь).
Поскольку объем атмосферных осадков, выпадающих. на акваторию моря, существенно меньше объема речного стока, влияние осадков на межгодо-вые изменения уровня моря значительно меньше, чем речного стока.
С начала столетия прослеживается тенденция увеличения осадков, выпадающих на поверхность моря. Их доля в водном балансе изменялась от 15 % в начале столетия до 23 % в 1978 - 1982 гг., когда на поверхность моря в среднем за год выпадало 257 мм, что превышало среднемноголетнюю норму (191 мм). Однако этих объемов недостаточно для обеспечения резкого повышения уровня, наблюдающегося с 1978 г. (табл.2).
Испарение - основная расходная часть водного баланса - является характеристикой процессов влаго-110
Таблица 2
Распределение количества атмосферных осадков, выпадающих на поверхность Каспийского моря [1]
Годы Уровень моря, м Осадки
і км Слой, см
1900-1929 26,18 69,8 17,3
1930-1941 26,80 72,9 18,5
1942-1969 28,18 74,1 20,0
1970-1977 28,64 87,6 24.3
1978-1982 28,54 93,1 25,7
1900-1982 27,32 73,9 19,1
оборота, развивающихся над поверхностью Каспийского моря. Из-за отсутствия достаточного количества фактических наблюдений его величина оценивается по различным теоретическим и эмпирическим формулам. Естественно, что отдельные авторы, пользуясь различными способами вычисления, получили неодинаковые величины испарения. Различия между среднегодовыми значениями испарения, определенными по разным методикам в разные годы, достаточно велики.
В среднем за год испарение равно: в Северном Каспии - 101, в Среднем - 81, в Южном - 108 см [1].
Каспийское море можно рассматривать как саморегулирующуюся систему. Главная статья расхода воды - это испарение, а суммарное количество испарения зависит не только от климатических условий (температуры и влажности воздуха), но и от площади бассейна испарения. Усиленное испарение при климатических условиях, характеризующихся высокой температурой и низкой влажностью воздуха, неизбежно ведет к сокращению площади бассейна, что в свою очередь обусловливает уменьшение суммарного испарения. Напротив, при избыточном увлажнении бассейн стремится принять такую площадь, которая за счет возрастания суммарного испарения обеспечит прекращение дальнейшего повышения уровня моря (табл.З).
Таблица 3
Распределение величин испарения с поверхности Каспийского моря [1]
Из расчетов испарения по тепловому балансу выяснилось, что вывод, полученный из данных по водному балансу, о сравнительно малой изменчивости годовых величин испарения правилен [2]. Таким образом, попытка большинства авторов объяснить ката-
строфический подъем уровня Каспийского моря климатическими факторами в лучшем случае неубедительна.
Геологические факторы. Под такими терминами, влияющими на уровень Каспийского моря, мы подразумеваем тектонику, седиментогенез, подземный сток, грязевой вулканизм.
По данным И.С. Зекцера, А.А. Племенова, А.Н. Касьянова [3], бассейн Каспийского моря на протяжении новейшего этапа развития и в современное время развивается. в условиях тангенциального сжатия, следствием чего является, в частности, выдавливание Дагестанского структурного выступа по обрамляющим его сдвигам в сторону Каспийской впадины -области наименьшего горизонтального сжатия. Таким образом, Каспийская впадина оказалась под воздействием трехстороннего горизонтального сжатия. Судя по положению наиболее погруженных участков дна моря, максимальное тектоническое напряжение Каспийская впадина испытывает в центральной и южной частях. Об активизации современных геодинамиче-ских процессов, выраженной в усилении горизонтального тектонического напряжения земной, коры, свидетельствуют результаты высокоточных линейноугловых геодезических измерений. За 1979-1987 гг. средние скорости современных вертикальных движений земной поверхности составили 4-8 мм /год, в то время как по данным инструментальных наблюдений только за шесть месяцев 1979 г. - 30-60 мм /год.
Сравнительный анализ характера современных тектонических движений земной коры вдоль побережья Каспия позволил выявить участки, испытывающие прогибание земной поверхности. К ним относятся локальные участки Дагестанского, Бакинского и Туркменского побережий. Наряду с опусканием, отдельные участки земной поверхности либо вообще не испытывают движений, либо характеризуются < ее поднятием (северо-восточная часть Дагестанского уступа, антиклинальная зона Приморской равнины и др.)- Такой знакопеременный режим движения земной поверхности отдельных участков побережья Каспийского моря обусловлен, по-видимому, пространственно-волновым характером передачи тектонических напряжений. Результаты нивелировок земной поверхности в 1914, 1936, 1949, 1972, 1989 гг., проведенных вдоль западного побережья Каспийского моря, свидетельствуют о подобном волновом характере движений земной коры с периодичностью ~ 10—20 лет и более [4].
Еще большее значение имеют тектонические движения сейсмического порядка, которые чрезвычайно характерны для этого региона. Сейсмичность восточного и западного побережья Южного Каспия составляет 7-9 баллов. Как для Азербайджана, так и для Туркмении известны разрушительные землетрясения. При сейсмических подвижках могут геологически мгновенно происходить поднятия и опускания земной коры на десятки метров [4].
Не отрицая в принципе существующие точки зрения на причины изменения уровенного режима Кас-
Годы Уровень моря, м Испарение
км3 Слой, см
1900-1929 26,18 389,4 96,7
1930-1941 26,80 394,8 100,4
1942-1969 28,18 356,3 96,4
1970-1977 28,64 374,9 103,9
1978-1982 28,54 354,8 97,9
пийского моря, по нашему мнению, быстрое затопление локальных площадей побережья обусловливается активизацией геодинамических процессов. При этом интенсивное опускание отдельных тектонических блоков прибрежной зоны усиливает эффект резкого подъема уровня Каспийского моря. Активизация геодинамических процессов, выраженная в усилении юризонтальных текюнических напряжений, особенно в центральной и южной частях Каспийской депрессии, может привести к изменению конфигурации дна моря. Чтобы оценить влияние геодинамических процессов за длительный период на колебание у.м., необходимо проводить достаточно точные и регулярные (не реже 1 раза в год) инструментальные наблюдения берегов и дна Каспийского моря. Повышение качества и точности геодезических измерений и их регулярное проведение целесообразно осуществлять с одновременным использованием аэрокосмических методов.
Для оценки влияния грязевого вулканизма на процессы осадконакопления и изменения уровенного режима Каспийского моря в настоящей работе использованы результаты • исследований И.Ф. Глазовского,
В.В. Бабаяна, С.А. Брусиловского, Р.К. Клиге, А.О. Селиванова, И.С. Зекцера, а также собственных наблюдений, проведенных в 80-х гг. и изложенных в [5].
Исходя из современных представлений о геологотектоническом строении района Каспия, рассмотрим роль грязевого вулканизма в формировании водного режима уровня Каспийского моря. Не отрицая в принципе существующих точек зрения на причины изменения уровенного режима Каспия, обратим внимание на роль грязевого вулканизма в процессах осадконакопления, которая, на наш взгляд, многими авторами значительно занижена.
Действие грязевых вулканов выражается в эруптивном выбросе на поверхность земли в период активной деятельности грязи, воды, газа, обломков пород и в незначительном поступлении по образованным эруптивным каналам в спокойные фазы развития грязи, воды и газа. По некоторым оценкам в результате наиболее крупных вулканических извержений на дно моря поступает 3,5-4 млн т грязебрекчий, хотя среднемноголетняя величина, видимо, гораздо меньше. Среднегодовое поступление твердого вещества в результате извержений всех грязевых вулканов Каспия не превышает 106 м3 [6].
Таким образом, доля грязевых вулканов в поступлении взвешенного вещества составляет, по-видимому, несколько процентов от твердого стока рек, и грязевой вулканизм является незначительным источником накопления терригенного материала на дне моря.
Среди множества причин, влияющих на изменение уровня Каспийского моря, седиментогенез, т.е. накопление осадочного вещества с последующими преобразованиями, занимает одно из ведущих мест. И вместе с тем, несмотря на значимость этих процессов, до настоящего времени они изучены недостаточно пол-
но, и опубликованные материалы не позволяли объективно оценить роль седиментогенеза в общем балансе осадочного процесса.
Весь осадочный материал, поступающий в Каспийское море, по генетическим условиям образования, подразделяется на следующие типы: твердый материковый сток, продукты береговой абразии, эоловые наносы, биогенные, хемогенные осадки.
Основным поставщиком седиментационных материалов на акваторию Каспийского моря являются реки. Согласно различным оценкам, до начала 70-х гг. в Каспий поступало с речным стоком от 98 до 150 млн т взвешенных наносов ежегодно. Значительная часть осадочного материала накапливается в устьевых участках рек, особенно в дельте. Например, в дельте и на авандельте Волги до глубины 3 м осаждается 85 % выносимого ею осадочного материала.Используя данные М.В. Кленовой (1961), Г.В. Лопатина (1952), И.П. Беляева (1963), а также [6, 7], можно сделать вывод, что именно результаты последних авторов наиболее близки к истине и поэтому для расчетов принимается твердый речной сток в Каспий, равный 68 м3/ год, а слой им образованный - 0,188 мм/ год.
Процесс поступления в донные осадки Каспийского моря продуктов береговой абразии практически не изучен. Имеющиеся сведения весьма незначительны, обрывочны, носят локальный характер и составить полную картину влияния береговых процессов на седиментогенез Каспийского моря невозможно. Собственных исследований в этом направлении не проводилось. Поэтому для расчетов баланса осадочного вещества использованы [6], хотя они весьма приблизительны.
Оценка поступления осадочного материала, обусловленного береговыми процессами, довольно сложна. Учитывая изменение конфигураций берегов различных типов и их высоту, можно крайне приближенно оценить чистое поступление материала в Каспийское море, обусловленное береговыми процессами,, величиной 15-25 млн м 3/год (25^0 млн т/год), что составляет 11-13 % от общего поступления осадочного материала. Для расчетов принимается объем, равный 20 м3/год, который образует на дне слой
0,05 мм/год. Эта величина получена для современного режима подъема уровня и дефицита материала в береговой зоне вследствие его прямого отбора с пляжей и сокращения твердого речного стока.
Хемогенное карбонатонакопление протекает в Каспийском море практически на всей акватории, но с различной интенсивностью, возрастающей по мере аридизации климата. Подавляющая масса аутогенного карбоната формируется в водной толще в условиях крайне неуравновешенной физико-химической системы, и лишь ограниченное количество - в осадках на ранних стадиях диагенеза. По данным [7, 8], интенсивность карбонатонакопления в Среднем и Южном Каспии составляет 7-21 %, в Северном - 51,7 %, в том числе терригенного - 12,9, хемогенного- 7,0, биогенного - 2,2 %.
Интенсивность хемогенного карбонатонакопления от общего поступления осадочного материала определена Лебедевым [8] в пределах 7 %, Клиге, Селивановым [6] - 15 %. Для того чтобы уточнить результаты этих исследований, авторы настоящей работы, используя метод актуализма, установили, что доля хемогенного кальцита в современных осадках составляет 12 % от общего количества карбонатов, что гораздо ближе к данным [6]. Согласно этим данным, масса хемогенных осадков в Каспийском море составляет 40 т /год, объем 25 м\ год, слой осадков, -0.06 мм /год в расчете на современную площадь Каспия.
Роль биологических процессов в осадконакопле-нии Каспийского моря многими (исследователями признается весьма значимой. Рассматривая влияние биоты на накопление донных отложений, необходимо учитывать, что основными компонентами, поступающими в осадок, являются продукций живого вещества (90 % этой продукции составляет фитопланктон) и раковинный материал пластинчатожаберных и брюхоногих моллюсков. Совершенно очевидно, что преобладающая часть биогенного СаСОз в донных отложениях представлена именно обломками, детритом и мелкопелитовыми разностями раковин моллюсков.
Согласно данным [6, 7], объем осадочного материала биогенного происхождения составит 6-12 млн м3, а слой биогенного карбоната кальция после седимента-ционного уплотнения - 0,02 - 0,04 мм /год.
В условиях аридного климата, при наличии обширных пустынных районов на восточном побережье и сильных ветров, большое значение для процессов осадконакопления имеет эоловый фактор. Песчаные пространства с севера и востока, большие скорости ветра и равнинный рельеф прилегающих к морю территорий способствуют воздушному переносу материала и осаждению его в море.
Несмотря на значимость эолового фактора в накоплении донных осадков, изучен он недостаточно хорошо из-за трудностей методического характера.
Наблюдения, проведенные КаспНИИРХом (1974) и Ростовским госуниверситетом, позволили с достаточной достоверностью определить количество поступающего на акватории Северного Каспия осадочного материала эолового происхождения. Многолетними наблюдениями было установлено, что в среднем ежегодно на акваторию Северного Каспия поступает 21,39 млн т эоловой пыли. Значительная масса седи-ментационных веществ переносится ветром на малых высотах и скачкообразно. Учитывая приведенные данные, принимаем условно интенсивность поступления терригенного материала в береговую зону за счет волочения в период сильных ветров, равную 20 % от общего объема седиментационных веществ, переносимых в воздушной среде во взвешенном состоянии, что составляет 4,28 млн т. Следовательно, на акваторию Северного Каспия ежегодно во взвешенном состоянии и волочением поступает 25,67 млн т осадочного материала. Данная цифра ни в коей мере не является завышенной, а скорее всего - заниженной.
Расчеты показали, что толщина ежегодно накапливаемого слоя донных осадков за счет эолового фактора составит 0,03 мм. Конечно, абсолютная величина этой пленки достаточно мала, однако при значительной временной экспозиции роль эолового фактора становится значимой.
Оценив основные составляющие баланса осадочного материала, поступающего в Каспийское море, можно сделать вывод о роли седиментогенеза в изменении уровня Каспийского моря. Результаты табл. 4 показывают, что ежегодно на дне Каспийского моря накапливается слой осадков толщиной 0,4 мм различного генезиса. Конечно, эта величина усредненная, однако она проверена многочисленными расчетами. Величина 0,4 мм не может оказать существенного влияния на уровень Каспийского моря в условиях резкого повышения или понижения его. Однако при стабильной фазе развития фактор седиментогенеза начинает играть значительную роль и в достаточно большом интервале времени может оказать существенное влияние на уровень Каспийского моря.
Таблица 4
Поступление осадочного материала из различных источников
Источник % от общего поступления Слой, накапливающийся на дне Каспия, мм/год
Твердый речной сток 45 0,18
Продукты береговых процессов 12 0,05
Эоловые наносы 8 0,03
Биогенная седиментация 15 0,06
Хемогенная седиментация 15 0,06
Подводный грязевой вулканизм 5 0,02
Итого 100 0,4
Подземный сток в Каспийское море - один из важнейших и малоизученных факторов. Анализ опубликованных данных свидетельствует о крайне разнообразных, а иногда и противоречивых оценках этой величины. Разгрузка подземных вод в море, определенная различными авторами, изменяется от 0,3 до 49 км3/ год. Такое различие в оценке величины стока объясняется прежде всего отсутствием надежных методик.
Если условно принять содержание химически связанных и свободных подземных вод в осадочных породах платформенной и геосинклинальной частей Каспия как средние для континентов в целом, то получим, что общее количество подземных вод в осадочном чехле Каспийского бассейна должно составлять ~ 4,37 ■ Ю20 т. Эта величина достаточно велика и почти в 5 раз превышает массу воды в Каспии [9].
На вопрос о количестве подземных вод, которое попадает в толщу Каспийского моря, однозначного ответа нет. Для расчетов водного баланса нами принимается усредненная величина, равная 4 км3 , хотя, по-видимому, она значительно занижена.
Антропогенный фактор возник в связи с созданием • и заполнением Куйбышевского, Волгоградского и других водохранилищ, развития современной агротехники (орошение и т.п.), ведущих к значительному увеличению испарения в бассейне моря.
Роль отдельных видов хозяйственной деятельности в снижении привноса в море существенно различна в разные годы. Если в 1955 - 1963 гг. основным фактором хозяйственной деятельности было сооружение и эксплуатация водохранилищ, то в настоящее время ведущая роль принадлежит орошению, что обусловлено возрастанием орошаемых площадей в бассейне. Если в начале 40-\ п. снижение уровня моря под влиянием хозяйственной деятельности состав- > ляло не более 2-3 см, то в конце 70 - начале 80-х гг ~ 10 12 см Уменьшение речного стока в Каспий за
счет водохозяйственной деятельности к 1990 г. составило 40 км1 в год (табл. 5).
Таблица 5
Антропогенное влияние на водный режим Каспийского моря (Шикломанов, 1976; Воропаев, 1982)
Год Сокращение притока вод, км’/год Слой воды, мм Доля от стока, %
1940 7 18 2
1950 11 29 4
1960 33 89 12
1970 23 62 9
1980 38 105 15
1990 55 146 20
2000 66 175 25
2050 100 265 37
При общем поднятии уровня около 2,5 м перекрытие залива Кара-Богаз-Гол в 1989 - 1985 гг. дало приращение уровня на 25 см, т.е. его роль мала. Обобщив всю имеющуюся информацию, можно сказать, что влияние антропогенных факторов на колебание уровня оценивается в пределах 3 - 5 %.
Согласно современным представлениям, одной из основных причин колебаний уровня Каспийского моря является изменение климатических условий, на формирование которых оказывает влияние солнечная активность. Усиление солнечной активности вызывает увеличение разности температур воздуха между различными широтными зонами земного шара и усиление атмосферной циркуляции. Таким образом, зависимость климата от солнечной активности опосредованно влияет на изменение уровня Каспийского моря. В то же время доказано, что катастрофическое
Ростовский государственный медицинский университет
повышение уровня в конце прошлого столетия нельзя объяснить изменением климата. И тем не менее повышение уровня Каспия совпало с ослаблением солнечной активности. Это позволяет утверждать, что солнечная активность влияет на изменение уровня моря, но не через климатические условия, а каким-то другим способом.
Автор настоящей публикации предлагает следующую схему. Механизм передачи воздействия солнечной активности на уровень Каспия включает в себя в качестве одного из звеньев геомагнитную возмущен-ность. Дно Каспийского моря, а именно глубоководные впадины представляют собой тектонически активные, напряженные зоны. В периоды солнечной и геомагнитной активности усиливающееся внешнее геомагнитное поле частично нейтрализует внутреннее давление. В тектонически напряженных глубоководных впадинах Каспийского моря в результате напряжение ослабевает, дно впадин медленно опускается, грязевой вулканизм и подземный сток ослабевают. И наоборот, при снижении геомагнитного воздействия тектоническое напряжение растет, дно медленно выдавливается, активизируется грязевой вулканизм и подземный сток. Таким образом, изменение уровня полностью совпадает с солнечными ритмами, генерируемыми в космосе: 11-летний цикл солнечной активности и его гармоники (5-6 лет). Наблюдаемое в XX в. изменение уровня Каспийского моря в значительной мере обусловлено соответствующими ритмами солнечной активности, что необходимо учитывать при планировании крупномасштабных вмешательств в море.
Литература
1. Панин Г.Н Испарение и теплообмен Каспийского моря. М., 1987.
2. Лобанов В.В. II Метеорол. и гидрол. 1992. № 5. С. 75 - 80.
3. Зекцер И.С. и др. И Водные ресурсы. 1999. Т. 26. № 5. С. 612-623.
4. Зекцер И.С. и др II Водные ресурсы. 1994. Т. 21. № 4.
С. 437-443.
5. Каспийское море: проблемы седиментогенеза. М., 1989.
6. Книге Р.К., Селиванов А.О II Водные ресурсы. 1995. Т. 22. №3. С. 330-335.
7. Хрусталев ЮП Закономерности современного осадкообразования в Северном Каспии. Ростов н/Д, 1978.
8. Лебедев Л.И. Особенности строения осадочной толщи Каспийского моря и их возможная палеогеографическая интерпретация. Палеогеография Каспийского и Аральского морей в кайнозое. М., 1983.
9. Зверев В.П., Костикова И.А. И Вестник РАН. 1999. Т.69.№3.С.209-215. •
22 Февраля 2003 г.
