Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 1, стр. 126-131

Батиметрические градиенты играют фундаментальную роль в переносе энергии через подводный озерный ландшафт. Формы подводного рельефа, параметры его пространственной изменчивости, определяемые различным происхождением и развитием, оказывают значимое влияние на неоднородность седиментационных процессов и их трансформацию в озерных бассейнах. Постоянные и периодические придонные течения во многом определяются пространственными морфоструктурными особенностями распределения глубин дна и подводного рельефа. Визуализация подводного рельефа возможна только после получения видеоизображений и проведения специализированных эхолотных измерений, а также применения обоснованных методов интерпретации батиметрических данных, причем детализация изображения зависит от пространственной дискретности натурных измерений. Количественная характеристика подводного рельефа островов Ладожского озера ограничена из-за отсутствия подробных цифровых батиметрических карт, позволяющих провести соответствующие вычисления, в том числе уклонов дна. Настоящая статья имеет своей целью продолжить и конкретизировать исследования подводного рельефа Валаамского архипелага, начатые авторами на основе эхолотных измерений в северо-западной части о. Валаам, где были выявлены уклоны, достигающие 60° и зафиксированы подводные оползни [1]. В настоящее время с использованием доступных карт и непосредственных измерений создана цифровая модель Валаамского архипелага в пределах 61.3°–61.5° с.ш. и 30.7°–31.4° в.д. (рис. 1). Эта модель является основой для количественных оценок распределения глубин и уклонов подводного рельефа указанного района Ладожского озера. Она включает в себя высоты, глубины и максимальные уклоны с пространственным разрешением 25 × 25 м (общее количество узлов – 405 581). Абсолютная разница между высшей точкой островов Валаамского архипелага 52 м и наибольшей глубиной 164 м исследуемого района составила 216 м.

Рис. 1.

Валаамский архипелаг и предполагаемая граница силла. 1 – предполагаемая граница силла, 2 – положение разрезов, представленных на рис. 2, 3 – район проведения фотосъемки подводного склона. На врезке к рис. 1 представлены: район исследований, двумерная пространственная корреляционная функция глубин Валаамского архипелага – (а) и уклонов – (б).

Все чаще для изучения элементов подводного рельефа Ладожского озера используется фотовидеосъемка [2]. В полевой сезон 2020 г. впервые была проведена видеосъемка самого крутого подводного склона юго-западной части о. Валаам, позволившая детально наблюдать его структуру от поверхности до дна. Съемка производилась на подводную камеру c разрешением 2704 × 1520 пикселей и частотой 25 кадров/сек. Было выполнено три прохода вверх по профилю от подошвы до бровки на глубине 35–40 м с расстояниями между ними не более 200 м. В реальных условиях Ладожского озера низкая горизонтальная прозрачность воды (2–3 м) накладывает жесткие ограничения на максимальную дистанцию между объективом и объектом съемки. Ширина охвата дна на полученных фотографиях примерно 1–2 м.

С геологической точки зрения все острова Валаамско-Салминской островной гряды имеют общее происхождение – это интрузивный рифейский силл, сложенный преимущественно габро-диабазами, тектонически раздробленный на разновеликие блоки [3] и подверженный неравномерному поднятию со скоростью около 3 мм/год [4]. Для визуализации его предположительные границы показаны красной линией (площадь 253.5 км²) (рис. 1), располагающейся на глубинах от 56 до 164 м при средней глубине 91.9 ± 0.3 м. Рисунок 2 а свидетельствует об исключительно больших уклонах на внешних границах Валаамского архипелага, особенно вдоль субмеридионального направления. Превышение над дном составляет 100 м на расстоянии несколько сотен метров.

Рис. 2.

Разрезы через Валаамский архипелаг – (а) и – (б); гистограмма распределения глубин – (в) и уклонов – (г). 1 –уровень Ладожского озера, 2 – функция плотности вероятности логнормального распределения глубин, 3 – функция плотности вероятности экспоненциального распределения уклонов. Римские цифры I, II, III обозначают местоположение фотографий подводного склона Валаама, представленных на рис. 4.

Количественная характеристика пространственного распределения глубин и уклонов дна в районе Валаамского архипелага может быть представлена на основе цифровой модели в виде гистограмм, корреляционных функций, а также гипсографической и объемной кривых. Все эти статистические оценки до настоящего времени отсутствовали. Гистограмма распределения глубин (рис. 2 в) имеет одновершинный отрицательно асимметричный вид с преобладанием глубин в диапазоне 55–65 м, плотность вероятности определяется логнормальным законом. Гистограммы распределения уклонов (рис. 2 г) соответствуют кривой экспоненциального распределения с положительной асимметрией.

Двумерная пространственная автокорреляционная функция как глубин, так и уклонов (рис. 1 а и рис. 1 б) указывает на незначительные расстояния L, на которых существует значимая статистическая связь с коэффициентом корреляции k ≥ 0.5: для глубин L изменяется от 0.9 до 1.5 км, для уклонов L изменяется от 140 до 260 м. Длинная ось “эллипсов анизотропии” имеет направление северо-запад–юго-восток, что соответствует направлениям линеаментов [5], разрывных нарушений [3] и подтверждено с использованием длительных GPS-измерений [4] и натурных моделей [6].

Оценить площади надводной и подводной частей архипелага позволили гипсометрическая и объемные кривые (рис. 3 а). Надводная часть вдоль среднего уровня воды составляет 37.1 км², а объем соответственно – 0.57 км³. Площадь на глубине 60 м – 195.5 км², объем – 6.8 км³. Площадь на этой глубине в 5.3 раза больше площади надводной части, а объем – почти в 11 раз.

Рис. 3.

Характеристики морфоструктуры Валаамского архипелага. (а) – гипсометрическая (1) и объемная (2) кривая; (б) – зависимость уклонов (3) и СКО уклонов (4) всего архипелага от глубины; зависимость уклонов (5) и СКО уклонов (6) самого крутого склона от глубины.

С помощью цифровой модели удалось оценить соотношение между уклонами, вычисленными в направлении из наибольших значений, и глубинами (высотами) всего архипелага. На рис. 3 б с очевидностью выявляются два экстремума степени изменчивости распределения глубин (среднеквадратического отклонения глубин (СКО)), характеризующие интенсивность процессов рельефообразования: в диапазоне от 20 м выше уреза воды до 20 м ниже него со средними уклонами около 5° и второй максимум с бόльшими СКО на глубинах 130–140 м, где уклоны дна изменяются от 5° до 10° и маркируют подножье силла.

Особое внимание было уделено самому крутому склону Валаамского архипелага, показанному на рис. 1 и 2 а, с координатами – 61.358° с.ш. и 30.885° в.д. Он хорошо выражен на дневной поверхности в виде тектонического уступа, в западной и юго-западной части обнаруживаются столбчато-призматические отдельности, указывающие на конвективные процессы в базальтовом расплаве [3, 7]. Видеосъемка подводной части юго-западной части острова позволила дать описание структуры пород, слагающих склон (рис. 4).

Рис. 4.

Фотографии участков самого крутого подводного склона Валаамского архипелага, сделанные на разных глубинах и проходах а и б: I-а, I-б – кромка на глубине 40 м перед подводным склоном, II-а, II-б – подводный склон на глубине 90 м, III-а, III-б – сочленение дна и подножия склона на глубине 147 м.

На основе визуальных экспертных наблюдений в береговых скальных выходах обнаружены крупнозернистые обнажения габбродолеритов (феррогаббро), которые необходимо уточнить опробованием. Они прослеживаются от кромки воды на полого наклонную площадку до уступа на глубине 40–45 м. Площадка слабо обнажена и перекрыта крупноглыбовым материалом, представленным габбродолеритами и полимиктовыми конгломератами.

Геологический разрез в интервале глубин 45–120 м слагается прочными, устойчивыми к выветриванию, красноцветными с переходами к кирпично-красным, реже желтовато-серыми и зеленовато-серыми рифейскими разнозернистыми песчаниками, гравелитами и алевролитами. Присутствуют прослои кавернозных песчаников с карбонатным цементом. Слоистость пород горизонтальная, присутствуют косослоистые серии. Наблюдаются кварц-полевошпатовые (гранофировые) жилы, встречаются мелкие кварцевые жеоды. Сочетание горизонтальных трещин, субсогласных со слоистостью осадков, с вертикальными трещинами формирует ступенчатый профиль склона.

Площадка у подножья склона на глубинах 120 м сложена светло-серым лейкократовым долеритом, участками – розовато-серым за счет монцонитизации.

На трехмерном изображении подводного склона ниже бровки (глубины 40–45 м) ясно видны выпаханные борозды [1], свидетельствующие о возможных движениях породы вдоль склона к его подошве. Действительно, на этом выпукло-вогнутом склоне можно наблюдать все факторы, способствующие формированию обвалов: склон с уклонами до 60° и горизонтальной протяженностью несколько сотен метров, слоистость и трещиноватость пород, которые могут сползать под действием силы тяжести при локальных землетрясениях по ложбинам стока. Информация о землетрясениях, произошедших в районе Ладожского озера, приведена в [8]. На подводных фотографиях отчетливо идентифицируются остроугольные края склона, что позволяет сделать вывод о происходивших здесь недавних землетрясениях и сейсмической активности территории.

Осадочный материал, перемещающийся вниз по склону, должен накапливаться в самой глубокой части с малыми уклонами на некотором расстоянии от подножья склона, что требует дополнительных исследований.

Соотношение между глубинами и уклонами на этом самом крутом подводном склоне о. Валаам показано на рис. 3 б, выявляются два значительных пика с наибольшими СКО уклонов на глубинах 45–50 м и 85–100 м, характеризующих пространственную изменчивость в несколько раз бóльшую, чем на этих глубинах всего Валаамского архипелага. Наиболее крутые участки с уклонами более 50° сосредоточены в средней части склона, между указанными интервалами глубин на глубинах 70–80 м. Следует подчеркнуть, что ступенчатый продольный и поперечный профиль дна, полученный при эхолотных промерах, а также отвесные рассеченные многочисленными трещинами уступы берегов западной части о. Валаам указывают на влияние разрывных нарушений в этих районах [5, 9, 10]. Сейсмообвалы могут локализоваться в зонах активных разломов.