Геоморфология и палеогеография, 2021, T. 52, № 2, стр. 63-71

ВВЕДЕНИЕ

Динамика накопления органического вещества в голоценовых отложениях Ладожского озера подробно изучалась во второй половине ХХ века [1–3]. Соотношение содержания минерагенного и органогенного вещества в озерных отложениях и его изменение во времени дают возможность реконструировать периоды максимальной биологической продуктивности водных экосистем и периоды ее спада, которые тесно связаны с колебаниями ряда климатических параметров, в первую очередь температуры [4–6]. Существенную роль могут играть и денудационные процессы на водосборном бассейне озера. Например, резкое увеличение содержания минерального вещества в голоценовых озерных осадках может свидетельствовать об усилении эрозионных процессов на водосборе [7].

Целями проводимого исследования являются выявление слабых флуктуаций накопления органического вещества в отложениях Ладожского озера в голоцене за счет более высокого разрешения при пробоотборе и выделение общих закономерностей динамики содержания органического вещества в озерных осадках из разных частей котловины, что позволяет обнаружить относительно кратковременные или слабо выраженные изменения палеогеографических условий.

МЕТОДЫ

Колонки донных отложений отбирались в 2016–2017 гг. (кроме колонки со станции 304, отобранной ранее) с научно-исследовательского судна “Эколог” гравитационной грунтовой трубкой типа ГОИН (длина 1.0 или 1.5 м, диаметр 5 см). Далее колонки разбирались по образцам сплошными сегментами по 2 см (за несколькими исключениями). Пробоотбор проводился непрерывно, что исключило потерю данных, возможную при дискретном пробоотборе, когда колонка разбирается на образцы по пакетам, а далее на анализ берется только часть материала.

Поверхностные пробы донных отложений отбирались с помощью дночерпателя Экмана–Берджи; образец брался из наилка мощностью не более 2–3 мм.

Обработан материал из 10 колонок и 40 поверхностных проб со станций, расположенных в различных частях озерной котловины (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1.

Местоположение станций пробоотбора (звездочки – колонки, треугольники – поверхностные пробы). Цифрами обозначены номера станций.

Содержание органического вещества оценивалось по потерям при прокаливании (далее ППП). Анализ осуществлялся по следующей методике: перетертый в порошок образец массой 1–2 г сушился при температуре 105°С в течение 2 ч, остужался в эксикаторе до комнатной температуры, взвешивался, прокаливался в течение 6 ч при температуре 500°С, остужался в эксикаторе до комнатной температуры, взвешивался.

Для контроля анализ ППП был повторен для ряда поверхностных проб, которые отбирались на одних и тех же станциях дважды (в 2016 и в 2017 г.).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Вскрытые отложения в общем виде представлены гиттиевыми глинами (алевритами) и глинистыми (алевритовыми) гиттиями. Иногда в нижних глинистых горизонтах отмечена тонкая слоистость. При общей тонкой размерности отложений в нижних горизонтах колонок иногда встречаются единичные галька и гравий. В большинстве кернов в однородных илах отмечены черные прослои гидротроилита, в некоторых колонках встречены белые вкрапления вивианита. По цвету в нижней части разрезов преобладают серые оттенки, в верхней части цвет меняется в сторону бурого или зеленовато-бурого. Границы постепенные, без резких контактов. В верхних горизонтах иногда встречены железистые корки.

Полученные значения ППП находятся в диапазоне 1.9–12.1%. При этом амплитуда колебаний в пределах одной колонки значительно меньше и составляет не более 4.2%, за исключением двух разрезов из центральной части озера, где диапазон значений составил 9.3 и 8.5%. Отмечена зависимость (r² = 0.53) между средним значением ППП в колонке и глубиной озера в точке пробоотбора (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость значений ППП поверхностных проб отложений (а) и средних значений ППП в колонках (б) от глубины.

Изучение особенностей накопления органического вещества позволило выделить в каждой из колонок несколько периодов с определенной динамикой органогенного осадконакопления (рост, снижение, стабилизация и т.п.), которые были типичны для всех разрезов; они обозначены буквенными индексами А, B, С, D, E (рис. 3, табл. 2).

Рис. 3.

Динамика содержания органического вещества в исследованных колонках.

С целью сопоставить полученные результаты голоценовой динамики органогенного осадконакопления с современными условиями был произведен анализ проб с поверхности отложений из 40 точек в разных частях озера.

Диапазон значений ППП в поверхностных пробах донных отложений Ладожского озера составляет 0.19–20.5%. Четко выделяются три области значений в зависимости от глубины (рис. 2). Первая область (№ 1 на рис. 2) со значениями ППП не выше 1.5% (среднее значение 0.5%) отмечена на глубинах от 5 до 40 м. Вторая область (№ 2 на рис. 2) объединяет значения ППП от 0.5 до 9% (среднее 4%) в отложениях, пробы которых отобраны с глубины 30–40 м. В третьей области (№ 3 на рис. 2) значения ППП составляют от 8 до 12% (среднее 10.5%) в отложениях с глубин 35–210 м. В единственной пробе (№ 4 на рис. 2), выделяющейся из данных трех групп, отмечено максимальное (для всех отложений Ладожского озера) содержание органического вещества – 20.5%.

ОБСУЖДЕНИЕ

В исследованных колонках донных отложений Ладожского озера по динамике содержания органического вещества выделено 5 периодов осадконакопления (интервалы А–Е на рис. 3); все они прослеживаются только в колонках, отобранных на 82-й и 52-й станциях (ст.). В колонке, отобранной на 55-й ст., отмечены только 4 периода (В–Е), на 304-й – только один – А. В остальных колонках выделены периоды С, D и Е.

Несмотря на долгую историю изучения отложений Ладожского озера, ранее хронологическая привязка осуществлялась в основном по результатам спорово-пыльцевого анализа [8, 9], радиоуглеродные датировки осадков были единичны, и только в последнее время их число увеличилось [10–12]. Исходя из радиоуглеродных дат дублирующей колонки станции 82 [12], определен возраст основных периодов осадконакопления.

Период осадконакопления А. Характерно стабильно низкое содержание органического вещества. Значения ППП не превышают 3%, что характерно для позднеплейстоценовых и раннеголоценовых ленточных и гомогенных глин, залегающих в глубоководных частях Ладожского озера под голоценовыми гиттиями (пелитовыми илами) [13]. Граница между периодами A и B отмечена только в двух колонках. В колонке из ЮВ части озера (ст. 52) эта граница эрозионная, с резким спадом значений ППП, что свидетельствует о размыве части отложений, возможно, во время спуска Балтийского ледникового озера около 11 600 лет назад [14] (здесь и далее приводится калиброванный возраст). Песчано-алевритовые горизонты между ленточными глинами и перекрывающими их гиттиями ранее отмечались в колонках из южной мелководной части озера. Их формирование также связывалось с эрозией во время спуска Балтийского ледникового озера [3], но назывались и другие причины, как, например, пониженный уровень бассейна в конце пребореала [15], или увеличение общей увлажненности на границе бореального и атлантического времени [1]. В центральной части озера (ст. 82) переход от стабильно низкого накопления органики к росту происходит постепенно, из чего можно сделать вывод, что спуск Балтийского ледникового озера привел к размыву отложений только в периферийной части акватории.

Период осадконакопления В. Характерен устойчивый рост содержания органического вещества, постепенный в центральной части озера (ст. 82 и 55) и резкий в юго-восточной части (ст. 52). Голоценовое потепление привело к постепенному повышению продуктивности озерной экосистемы [16]. В это время Ладожское озеро, отделившись от Балтийского моря (стадия Иольдиевого моря в Балтике), развивается самостоятельно. Соединение с последним происходит в северной части Карельского перешейка через систему сообщающихся озер и проток [17]. После возникновения и трансгрессии Анцилового озера север Карельского перешейка и Ладожское озеро становятся его частью. Спуск Анцилового озера приводит к началу автономного развития Ладожского озера, пролив на севере Карельского перешейка превращается в озерно-речную систему. Все эти события, происходившие в период 11 600–9800 л. н. [14], сопровождаются значительными изменениями площади акватории Ладоги. Считается, что южная часть современной ладожской котловины в некоторые периоды первой половины голоцена полностью осушалась [15]. В этой связи важно отметить, что характер органического осадконакопления при переходе от иольдиевой стадии к анциловой и далее к собственно ладожской в изученных разрезах существенно не меняется. Устойчивый рост содержания органического вещества в осадках происходит равномерно, лишь на графике значений ППП ст. 55 в середине данного периода отмечена небольшая ступень, возможно связанная с окончательной изоляцией Ладожского озера.

Период осадконакопления С. Рост содержания органического вещества в отложениях прекращается, происходит его относительная стабилизация на высоких значениях, но с сохранением значительных флуктуаций ППП. Это период климатического голоценового оптимума. В предыдущих исследованиях отложения с максимальным содержанием органического вещества, опираясь на данные спорово-пыльцевого анализа, были датированы атлантическим оптимумом голоцена [15, 2 ]. При этом мощность этих отложений колеблется от 0.4 до 1.5 м [15]. В колонке со ст. 82 отложения с повышенным содержанием органического вещества (период C) по данным радиоуглеродного анализа формировались в интервале 9000–4800 л. н., их мощность составляет 0.5 м [12]. В атлантическом периоде для исследуемой территории выделены многочисленные фазы потепления/похолодания [9]. Данный временной промежуток в целом совпадает с голоценовым термическим оптимумом, выделенным для колонки со ст. 1309 во временном интервале 9500–4500 л. н. [11]. Из региональных событий, близких по времени и, возможно, повлиявших на характер осадконакопления, надо отметить прорыв реки Вуоксы, произошедший около 6000 лет назад [18]. Возможно, именно с ним связан перелом на кривых распределения ППП, наиболее отчетливый в центральной части озера (станции 82 и 55); после чего, несмотря на по-прежнему высокие значения содержания органического вещества, отмечается тренд к его снижению. Однако возрастная модель (последовательность имеющихся радиоуглеродных датировок) формирования отложений со ст. 82 [12] дает более ранний возраст этого перелома, что свидетельствует, возможно, в пользу общеклиматических причин последнего.

Граница между периодами C и D выделена по резкому падению значений ППП, после чего органическое вещество накапливалось в гораздо меньшем, относительно предыдущего периода, количестве. Не во всех разрезах этот спад выражен настолько ясно, чтобы быть однозначно определяемым в качестве границы между периодами (станции 222, Р1, Л1). Это связано с близким (до 2 км) расположением данных станций от берега и, соответственно, с возрастанием роли локальных денудационных процессов в соотношении “минеральное/органическое вещество”. На станциях, расположенных в центральной части озера (станции 52, 55, 82), влияние на осадконакопление процессов, происходящих на водосборе и в области прибрежно-волновой активности, минимально. Тем не менее здесь падение содержания органического вещества в разрезах донных отложений на границе периодов C и D выражено настолько заметно, что свидетельствует о значительной перестройке гидродинамических и гидробилогических условий в озере. Данный спад объясняется уменьшением продуктивности экосистемы озера, связанным с суббореальным похолоданием, на которое наложились резкие гидродинамические изменения, приведшие к привносу и осаждению большого количества тонкого минерального материала.

Период осадконакопления D. Содержание органического вещества в отложениях стабилизируется на относительно низких значениях, но флуктуации значений ППП сохраняются. В некоторых разрезах отмечен выраженный подъем содержания органики в середине или ближе к концу периода. Временн${\text{ы}}'$е границы для этого периода по полученным для отложений ст. 82 радиоуглеродным датировкам составляют 4800 и 1800 л. н. В начале суббореального времени здесь происходило похолодание, далее отмечается несколько периодов потепления/похолодания [9]. Суббореальная ладожская трансгрессия приводит к затоплению обширных территорий в южной части современной котловины и прибрежных низменностей, в первую очередь, южного побережья Ладоги. Отмечается несколько эпизодов трансгрессии, последний из которых закончился образованием Невы (около 3400 л. н.) и спуском уровня озера до современных отметок [17, 19, 20].

Граница между периодами D и E отмечена по падению значений ППП до минимума и началу их резкого устойчивого роста. Здесь, в отличие от границы C/D, спад выражен не настолько явно, за исключением колонки со ст. 82.

Спад в содержании органического вещества в донных отложениях при падении уровня Ладожского озера после образования реки Невы отмечался ранее [15]. Резкое падение уровня озера может отразиться на соотношении минерального и органического вещества следующим образом. Первоначально в озере, особенно в его литоральной зоне, происходит увеличение доли минерального вещества в осадках, вызванное переформированием береговой линии, сопровождающимся увеличением эрозии. В пелагиали этот сценарий может быть выражен не явно. Далее за счет уменьшения глубины и, соответственно, сокращения времени осаждения детрита на дно возможно увеличение в осадках доли органического вещества. При таком сценарии падение уровня Ладоги после прорыва реки Невы можно связать с границей между периодами D и E, но этому противоречат радиоуглеродные датировки, полученные для колонки со ст. 82, по которым резкий спад значений ППП произошел не ранее 1800 л. н. [12].

Период осадконакопления Е. Происходит быстрый или умеренный рост содержания органики в донных отложениях до максимальных значений. Возраст начала этого периода не ранее 1700 л. н. Пик содержания органического вещества отмечается или в поверхностных горизонтах отложений, или в иногда ожелезненных горизонтах, расположенных на глубине 0.06–0.10 м от поверхности воды. В колонках из центральной части озера (52, 55, 82) и со ст. 222 резкий рост ППП прерывается резким же их падением с последующим быстрым возобновлением роста. Высокие значения содержания органического вещества в кровле отложений и их некоторое сокращение в нижележащих осадках (мощность периода E составляет 10–20 см) отчасти связаны с деструкцией органики в ходе диагенетических преобразований. Этими же процессами обусловлены образование рудных корок и двойной пик значений ППП, отмеченные в ряде разрезов в их верхних частях. Эти процессы не исключают природно-климатических причин роста органического вещества на последнем этапе развития озера, так как рост продуктивности озерной экосистемы и повышение его трофического статуса отмечены в субатлантическое время [16].

В целом полученные результаты хорошо согласуются с данными предыдущих исследований. Средние значения ППП для поверхностного слоя отложений в открытой части Ладожского озера в тонких осадках составляют 5–8%, при диапазоне от 2 до 12% [1, 13]. Реже отмечались более высокие значения – 10–24% [21].

Важно отметить значительную разницу в мощности отложений, соответствующих выделенным периодам. В самой глубоководной части озера, где должна формироваться максимальная толща отложений, осадки могут иметь мощность меньше, чем в точке с меньшей глубиной, что подчеркивает мозаичный характер осадконакопления в Ладожском озере, зависимый от локальных морфометрических особенностей озерной котловины, гидродинамических условий и пр.

Особенностью изученных разрезов является частое отсутствие визуально выраженной литологической границы между разными периодами осадконакопления.

Диапазон значений ППП в колонках донных отложений в 2–12% в целом совпадает с диапазоном значений ППП в поверхностных пробах.

Выявленная зависимость между глубиной точки пробоотбора и содержанием органического вещества в поверхностных пробах напрямую зависит от гранулометрического состава отложений, который, в свою очередь, связан с морфометрическими характеристиками озерной котловины и гидродинамическими процессами. В мелководной части озера (до глубин 20–30 м) преобладают крупные песчано-алевритовые осадки, и, соответственно, в них значения ППП минимальны. В глубоководной части озера происходит аккумуляция преимущественно тонкого взвешенного материала, в том числе и органического, что отражается в повышении значений ППП. Участки озера с глубинами 30–40 м являются в этом смысле переходными, где осадконакопление может происходить по обоим сценариям.

В современных поверхностных пробах на глубинах свыше 40 м значения ППП составляют 8–12%, а на глубинах до 25–30 м – преимущественно 0.2–1.5%. В целом средние значения ППП в колонке тем выше, чем глубоководнее станция пробоотбора. Если не принимать во внимание раннеголоценовые этапы осадконакопления, то колонки со станций 82, 92, 96, 105 (т.е. с глубин свыше 66 м) сложены глинистой гиттией (ППП > > 6%). Колонки со станций 222, Р1, (т.е. с глубин около 40 м) и значительная часть колонки Л1 (с глубины 90 м) сложены гиттиевой глиной (ППП от 2 до 6%). При этом общий диапазон значений ППП в колонках может достигать 9%. Если в современных поверхностных пробах на глубинах свыше 40 м значения ППП превышают 8%, то в течение голоцена на аналогичных глубинах могли формироваться осадки с гораздо меньшим содержанием органического вещества. Таким образом, наблюдаемая в настоящее время в поверхностных пробах зависимость ППП от глубины, в образцах из изученных колонок не подтверждается.

В каждой точке озерной котловины характер осадконакопления зависит от наложения общерегиональных факторов, связанных с гидродинамическими, гидрохимическими и гидробиологическими условиями в озере, на местные особенности данной части котловины, такие как рельеф и уклон дна, глубина, расстояние от берега и т.п. Для Ладожского озера отмечена очень большая мозаичность в структуре осадков, что объясняется его сложной голоценовой историей со значительными изменениями уровня, площади, характера проточности, тектоническими движениями. Все это, в сочетании со сложным рельефом дна, приводит к тому, что на расстоянии в несколько километров характер отложений может быть принципиально разным. В этой связи крайне важной с точки зрения дальнейшего исследования голоценовой истории озера представляется детализация общих для всей акватории эпизодов в динамике содержания органического вещества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В колонках, отобранных на станциях, расположенных в различных частях Ладожского озера, обнаружено отчетливое сходство в голоценовой динамике накопления органического вещества. Это позволило выделить 5 периодов органического осадконакопления. В большинстве колонок донных отложений отмечено два периода повышенного накопления органического вещества – в среднем голоцене и в последние 1500 лет. Выделены и эпизоды резкого спада содержания органики – завершающий первый максимум и предваряющий второй. Наибольшее сходство в динамике органического вещества отмечено в колонках, отобранных из центральной части озера, где влияние береговых процессов на осадконакопление минимально.