Геоморфология и палеогеография, 2021, T. 52, № 3, стр. 105-115

ВВЕДЕНИЕ

В долинах рек Восточно-Европейской равнины широкое распространение имеют большие палеорусла (макроизлучины), расположенные на поймах и низких террасах [1–4]. Параметры макроизлучин в разы превышают характеристики современных рек и являются свидетельствами мощного речного стока, обычно датируемого на данной территории позднеледниковьем [5, 6]. Долина р. Мокши в этом отношении не является исключением. Вероятно, нижнее течение Мокши – от впадения р. Цны и до устья – наилучший с геоморфологической точки зрения участок для изучения макроизлучин во всем бассейне Оки: здесь хорошо сохранилось большое количество палеорусел, среди которых по размеру можно выделить две генерации – большие, по параметрам в несколько раз превышающие современное русло, и малые, соответствующие его современным размерам. Датирование отложений, слагающих днище долины, а также заполняющих палеорусла, позволило реконструировать историю развития долины р. Мокши в позднем плейстоцене, а также оценить изменения водности реки в этот период.

ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА

Изучаемая территория располагается на тектонически стабильной древней Русской платформе. Формирование речной долины происходило в пределах четвертичного чехла, сложенного осадками различного генезиса: ледникового, водно-ледникового, озерно-ледникового, аллювиального и склонового. Ледниковые отложения представлены суглинками с галькой, гравием и валунами; водно- и озерно-ледниковые – песками, иногда с гравием и галькой, а также супесями, суглинками и глинами разной мощности. Аллювий – песками, часто с гравием и галькой, а также супесями, суглинками или глинами, нередко в виде прослоев или линз; склоновые отложения – преимущественно суглинками [7–9].

Под четвертичным чехлом залегают осадки различной литологии неогенового, мелового, юрского и каменноугольного возраста. Неогеновые отложения сохранились в основном в пределах междуречий и представлены преимущественно аллювиальными и озерными песками, алевритами и глинами. Меловые – морскими песками, алевритами, глинами и песчаниками, в отдельных случаях песками или песчаниками с фосфоритами; юрские – в основном глинами и песками, реже – песчаниками или алевритами, иногда встречаются конкреции фосфоритов или сидеритов. Морские отложения верхнего и среднего карбона – это известняки, доломиты, мергели и глины, реже встречаются прослои песчаников, песков или алевритов [9, 10].

Долина Мокши на рассматриваемом участке врезается в породы юры, и аллювий подстилают келловейские глины, алевриты и пески, реже – песчаники с конкрециями сидеритов и фосфоритов [10].

В геоморфологическом отношении исследуемая территория находится в пределах Окско-Донской низменности, перекрывавшейся в раннем неоплейстоцене донским ледником; более поздние оледенения территорию не затрагивали. Для региона в целом характерен равнинный террасированный зандрово-аллювиальный рельеф на погребенной аллювиально-морской равнине неогенового возраста. Аккумулятивных ледниковых форм рельефа на междуречьях не сохранилось, а эрозионная сеть отличается большой густотой и имеет древовидный в плане рисунок. Очертания форм рельефа обычно сглажены, что объясняется преобладанием песков и суглинков как среди четвертичных отложений, так и среди подстилающих их коренных пород. По данным геологической съемки, в долине Мокши выделяется до четырех надпойменных террас [8].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевые работы в долине р. Мокши включали механическое бурение с помощью установки “Pride Mount 80” на шасси УАЗ 3310 усовершенствованным шнековым способом для изучения геологического строения палеорусел (12 скважин глубиной от 11.5 до 22.5 м, обычно 17.5–18.5 м), отбор образов на радиоуглеродное датирование и гранулометрический анализ, геоморфологическое обследование и картографирование территории.

В Лаборатории радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии Института географии РАН (Москва) по образцам органики было выполнено радиоуглеродное масс-спектрометрическое (¹⁴С AMS) датирование. Полученные даты были калиброваны (приведены к астрономической шкале времени) с помощью онлайн версии программы OxCal 4.4 [11] на основе калибровочной кривой IntCal20 [12] (табл. 1).

На изученный участок долины р. Мокши составлена геоморфологическая карта поймы (рис. 1), отражающая расположение ее массивов различной морфологии и палеорусел с разными параметрами, а также положение скважин. Литологические колонки скважин представлены на рис. 2.

Рис. 1.

Геоморфологическая карта ключевого участка поймы р. Мокши.

Морфологические комплексы рельефа. Пойма: 1 – позднеголоценовая сегментно-гривистая с хорошо сохранившимся первичным рельефом, 2 – раннеголоценовая сегментно-гривистая, 3 – позднеплейстоценовая со слабо сохранившимся первичным рельефом; формы рельефа: 4 – прирусловые отмели, 5 – русло реки, 6 – старицы, 7 – прирусловые валы, 8 – гривы, 9 – палеорусла, 10 – эрозионные уступы, 11 – русла пойменных проток.

Рис. 2.

Литологические колонки скважин в долине р. Мокши.

1 – торф; 2 – оторфованность, прослои, богатые органикой; суглинок: 3 – тяжелый, 4 – средний, легкий, 5 – опесчаненный; 6 – песок заиленный, супесь; 7 – переслаивание песка и суглинка; песок: 8 – тонкий, 9 – мелкий-средний, 10 – средний-крупный, 11 – крупный-грубый, с включениями гравия и гальки; 12 – крупные карбонатные конкреции; 13 – прослои песка в суглинке, суглинка в песке; 14 – радиоуглеродные даты (калиброванные).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Морфология долины р. Мокши в нижнем течении. На рассматриваемом участке долины выражены два уровня надпойменных террас и обширная пойма. Высота поймы над современным меженным урезом реки – от 1 до 6 м, первой надпойменной террасы – 9–11 м, второй – 18–22 м. Ширина долины по бровкам на рассматриваемом участке составляет в среднем 14–16 км, местами – 20–22 км и более. Из них бóльшую часть занимает пойма, достигающая в ширину 12–14 км.

Пойма реки преимущественно сегментно-гривистая, осложнена многочисленными палеоруслами разных размеров. Судя по характеру поверхности (ярко выраженный гривистый рельеф в шпорах современных излучин, прирусловые отмели на выпуклых берегах, затоны, большое количество стариц и т.д.), пойма была создана в ходе меандрирования реки, которое активно продолжается и сейчас, хотя параметры излучин с течением времени значительно менялись. Среди палеорусел по размеру отчетливо выделяются две генерации – большие палеорусла (макромеандры), по своим размерам (ширина, шаг излучины) в несколько раз превышающие параметры современного русла, и малые палеорусла, по размерам сопоставимые с современной рекой (рис. 1).

Ширина современного русла Мокши составляет на рассматриваемом участке в среднем от 100 до 150 м, на отдельных участках может быть несколько шире или ýже. Шаг современных излучин от 300–400 до 600–700 м. Малые палеорусла-староречья на пойме имеют примерно такие же параметры. Большие же палеорусла имеют ширину до 250–300 м, шаг излучин – около 1500–2000 м.

Геологическое строение палеорусел р. Мокши в нижнем течении. Заполнение палеорусел в долине Мокши представлено чередованием песков и суглинков, подстилаемых русловым аллювием, представленным хорошо отмытыми песками, обычно средне- или крупнозернистыми (рис. 2). Как правило, под этими песками руслового облика идет снова чередование суглинков и песков или супесей, и только потом – хорошо отмытый крупнозернистый русловой аллювий. По-видимому, эти отложения представляют собой разные возрастные генерации аллювия (либо наследование одного палеорусла другим, либо просто наложение на более древние аллювиальные фации).

Визуальная интерпретация строения скважин может затрудняться также песчаным характером подстилающих дочетвертичных отложений, не всегда четко отличимых от аллювия [10], т.е. переход к подстилающим морским осадкам в некоторых случаях может быть не очевиден.

В связи с вышесказанным была выработана следующая стратегия датирования, позволяющая получить материал для достоверной хроностратиграфической интерпретации разрезов в рамках имеющихся ресурсов. Вместо анализа единичных образцов в каждой скважине было решено продатировать по всей глубине две скважины – одну в крупном палеорусле (макроизлучине) (скв. Мк-19-06), другую – в малом (скв. Мк-19-03). Предполагалось, что результаты позволят определить, до какой глубины нижняя часть разрезов представлена относительно древним заполнением долины и какой мощности слой песчаного аллювия отвечает миграции меандрирующих палеорусел, выражающихся в рельефе поймы. Кроме того, был продатирован образец из скв. Мк-19-11 в крупной ложбине, тянущейся по поверхности левобережной низкой террасы параллельно пойменному комплексу Мокши.

Геохронология аллювия заполнения долины р. Мокши в нижнем течении. Скважина Мк-19-03 расположена в пределах малого палеорусла (рис. 1), отвечающего современным параметрам реки. Однако, судя по всему, заполнение этого малого палеорусла мощностью менее 3 м продатировано не было (в верхней части разреза подходящего органического материала не обнаружено); до глубины 2.3 м заполнение представлено преимущественно суглинистыми отложениями, ниже – переслаиванием песка и суглинка.

Отложения с глубины 3.2–3.3 м имеют позднеледниковый возраст – 18 460 ± 130 тыс. л. н. (здесь и далее в тексте приводятся калиброванные даты; радиоуглеродные – см. в табл. 1), с глубины 5.2–5.3 м – 18 740 ± 50 тыс. л. н. (рис. 2) и относятся к предшествующей стадии развития долины. Обе эти даты выполнены по общей органике; датированная толща (до глубины 5.9 м) представляет собой хорошо отмытый мелкозернистый песок с прослоями суглинка.

Ниже 5.9 м идут преимущественно хорошо отмытые среднезернистые пески с прослоями суглинков, глубже 10.5 м песок становится крупнозернистым, количество глинистых прослоев сильно уменьшается. На глубинах 8.4 и 15.5 м возраст аллювия составляет 23 280 ± 190 и 35 980 ± ± 170 тыс. л. н. соответственно.

Скв. Мк-19-06 расположена в пределах большого палеорусла (макроизлучины) на правобережье Мокши. Верхние 1.7 м вскрытых отложений представлены торфом, далее до глубины 5.1 м следует заполнение палеорусла: пески средне- и мелко-среднезернистые с прослоями суглинков. Однако собственно заполнение большого палеорусла, по всей видимости, продатировано не было из-за отсутствия в верхних 5 м органического материала (за исключением торфа в самой верхней части, явно более позднего по отношению ко времени функционирования макроизлучины).

Ниже 5.1 м начинается следующая аллювиальная пачка, представленная суглинками с прослоями песка, реже супесью; вниз по разрезу мощность песчаных прослоев увеличивается и ниже 11 м преобладают мелкозернистые пески, крупность которых постепенно возрастает до песка среднезернистого и даже средне-крупнозернистого на глубине около 17 м. Были продатированы отложения с глубин: 5.4, 10.6 и 18 м. Все они показали близкие даты: 31 860 ± 160, 30 980 ± 70 и 30 970 ± 80 тыс. л. н. соответственно.

Судя по морфологии долины на изученном участке, скв. Мк-19-11 расположена либо в пределах палеорусла Мокши, с двух сторон ограниченного фрагментами надпойменных террас, либо, что более вероятно, в пределах древней долины левого притока Мокши – р. Цны, в настоящее время впадающей в Мокшу выше по течению. В пользу второй интерпретации говорит значительная ширина ложбины, заметно превышающая параметры макроизлучин Мокши, и ее прямолинейные очертания, не характерные для активно меандрировавшей во все времена Мокши.

Пробуренная в днище этой палеодолины скважина вскрыла следующее строение. С поверхности до глубины 3.3 м идет переслаивание супесей, суглинков и мелкозернистого песка. С 3.3 м до 8.3 м залегает мощный слой суглинка среднего, вниз по разрезу до тяжелого; с 8.3 м начинается песок мелкозернистый, с 13.5 м – среднезернистый, с 15.2 м – крупно-грубозернистый с включениями дресвы (базальная фация аллювия?). Отложения на глубине 14.4 м имеют возраст 36 630 ± 180 тыс. л. н. С глубины 17 м и до забоя скважины (18 м) вскрыт суглинок с песком, дресвой и щебнем крупным, по всей видимости, представляющий собой подстилающие аллювий коренные породы.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные по строению и возрасту аллювиальных толщ, слагающих днище долины р. Мокши на изученном участке, позволяют провести следующие обобщения.

Аллювиальные отложения возраста 30–35 (40) тыс. л. н. (конец МИС 3) встречены на глубинах от 5.5 до 18 м во всех трех продатированных скважинах, что позволяет предположить, что в этот период река врезалась до глубины более 10–12 м ниже современного уреза; ближе к концу этой эпохи (30 тыс. л. н. и позднее) началось постепенное заполнение долины, продолжавшееся в МИС 2 и захватившее время последнего ледникового максимума LGM (23–20 тыс. л. н.). Отложения возраста около 23–23.5 тыс. л. н. из скв. Мк–19–03 (с глубины 8.4 м) отвечают как раз времени заполнения долины. Во время LGM, как показывают данные по другим долинам рек центра Восточно-Европейской равнины [13 и др.], происходила интенсивная аккумуляция материала, на речных террасах формировались эоловые покровы и шлейфы. Однако в долине Мокши таких покровов пока обнаружено не было.

Следующая группа дат в скв. Мк-19-03 относится ко времени позднего пленигляциала 19–18 тыс. л. н. Датированные отложения, очевидно, относятся к вееру блуждания макроизлучин (рис. 1), верхняя часть которого в дальнейшем была переработана руслом реки в голоцене (с чем и связано наличие малого палеорусла поверх этих отложений).

Схожие данные о циклах врезания – аккумуляции в валдайское время были получены по долине р. Оки. Здесь по данным [14] в молого-шекснинское время (МИС 3) происходило переуглубление долины Оки, и сформировалось проточное озеро (в этом отличие от долины Мокши, где озерного водоема не было). Об этом свидетельствует повсеместное распространение в долине р. Оки под аллювием позднего валдая – голоцена суглинистых озерных отложений, которые, по данным радиоуглеродного датирования, имеют молого-шекснинский возраст [14] (ранее [15–17] предполагалось, что их возраст более древний). Затем в осташковское время (МИС 2) происходило заполнение долины, сменившееся новым врезанием, хоть и менее глубоким, чем в МИС 3 [14]. Аналогично в долине р. Мокши врезание после последнего ледникового максимума было не столь глубоким, как в конце МИС 3 около 30–35(40) тыс. л. н.

Наличие макроизлучин в долинах рек умеренного климатического пояса является ярким палеогидрологическим феноменом, в последние полстолетия активно изучающимся во всем мире [6, 18–22 и др.]. Согласно имеющимся представлениям, формирование макроизлучин происходило в областях распространения многолетней мерзлоты в перигляциальной зоне последнего оледенения и было обусловлено экстремально высокими (по сравнению с современными) значениями стока во время половодий. Размеры позднеплейстоценовых русел в несколько раз превышали современные параметры, что объясняется особенностями гидрологического режима рек того времени. Считается, что сток был крайне неравномерным в течение года. Преобладание зимних осадков определяло высокое весеннее половодье, а многолетняя мерзлота препятствовала фильтрации воды и способствовала увеличению поверхностного стока. Формировались большие русла рек, размеры которых соответствовали максимальным расходам периода половодья [21].

Таким образом, большие палеорусла р. Мокши имеют поздневалдайский возраст и отражают период высокой водности, выделяемый во многих регионах Восточно-Европейской равнины в позднеледниковье [5]. Малые же палеорусла, по своим параметрам отвечающие размерам современного русла, формировались в голоцене и накладывались на ранее созданный рельеф поймы (в том числе на более древние макроизлучины).

История развития долины р. Мокши в позднем плейстоцене. Полученные данные позволили выполнить следующие реконструкции.

Между 40 и 30 тыс. л. н. происходило врезание реки глубже современного уровня, о чем свидетельствуют датировки аллювия из заполнения речной долины. Тектоническая обстановка в регионе в рассматриваемый промежуток времени была стабильной, что позволяет связывать врезание рек чисто с климатическими изменениями, приводящими к увеличению водности.

Затем врезание сменилось заполнением долины, вызванным падением водности и иссушением климата, максимум которого приходился на период последнего ледникового максимума (23–20 тыс. л. н.). Проведенные ранее исследования в долинах рек центра Восточно-Европейской равнины [13 и др.] показывают, что в долинах региона в это время активно развивались эоловые процессы, на речных террасах формировались эоловые покровы и шлейфы.

Начиная со времени около 18.5 тыс. л. н. снова произошло значительное увеличение водности, приведшее к формированию макроизлучин, разработавших широкое днище долины. Следы больших палеорусел сохранились в рельефе речной долины на рассматриваемом участке. Подобные макроизлучины широко распространены на поймах и низких террасах речных долин Восточно-Европейской равнины [1–4] и датируются в ее пределах позднеледниковьем [5, 6]. Данные, это подтверждающие, были получены нами и для долины р. Мокши.

Для голоцена были характерны понижение водности, уменьшение параметров русла (ширина, шаг излучины) и сужение пояса меандрирования реки. Несмотря на это, в настоящее время река продолжает активно меандрировать, о чем свидетельствуют ярко выраженный гривистый рельеф в шпорах современных излучин, прирусловые отмели на выпуклых берегах, большое количество стариц на пойме.

По своему строению долина Мокши является типичной для бассейнов Оки и средней Волги, составляющих существенную часть водосборного бассейна Каспийского моря. Фиксируемые в рельефе долины крупномасштабные палеогидрологические изменения означают, что во второй половине позднего плейстоцена значительно менялся и приток речных вод в Каспий. Это имеет большое значение для понимания дискутируемых в литературе климатических механизмов формирования его регрессивно-трансгрессивных ритмов [23, 24]. Установленные в настоящей работе этапы развития долины хорошо соответствуют последним геохронологическим данным по динамике уровня Каспийского моря.

Углубление долины Мокши около 40–30 тыс. л. н. (конец МИС 3), обусловленное увеличением роста стока воды, соответствует установленной в буровых скважинах на шельфе Северного Каспия наиболее ранней фазе раннехвалынской трансгрессии с датами по ¹⁴С 37–33 тыс. л. н. (кал.) [25], последовавшей за длительной ательской регрессией, продолжавшейся в течение МИС 4 и первой половины МИС 3 [26]. Ранее глубокий врез в конце МИС 3 был установлен и в бассейне среднего Днепра [27]. Последующая направленная аккумуляция в долине Мокши в первую половину МИС 2, включая последний ледниковый максимум LGM, говорящая о маловодности в эпоху внутрихвалынского снижения уровня Каспия. На шельфе оно идентифицировано по песчаному слою с датами по ¹⁴С в интервале от 30 до 23 тыс. л. н. (кал.) [25, 26], в Прикаспии – по накоплению лессов, датированных оптико-люминесцентным (ОСЛ) методом в интервале 32–19 тыс. л. н. [28]. Накопление шоколадных глин – общепринятого литолого-стратиграфического индикатора раннехвалынской трансгрессии – датировано по ОСЛ периодом 17–13 тыс. л. н. [28], что хорошо соответствует установленному ранее интервалу встречаемости больших палеорусел в центре Русской равнины – 18–13 тыс. л. н. [4, 6, 27, 29–31]. В долине Мокши их формирование началось даже несколько ранее – около 18.5 тыс. л. н.

ВЫВОДЫ

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы.

• В конце позднего плейстоцена в долине р. Мокши происходило чередование этапов высокой и низкой водности, приводившее к смене периодов врезания и аккумуляции в долине.

• Повышенная водность была характерна для периодов 40–30 тыс. л. н. и 18.5–12 тыс. л. н. От второго из этих этапов (позднеледникового) в рельефе высокой поймы сохранились крупные палеорусла-макроизлучины, доказывающие факт значительного роста расходов воды относительно голоценовых и современных.

• Пониженная водность была характерна для эпохи ~30–18.5 тыс. л. н., разделявшей два этих периода высокой водности. Максимумы падения стока и аккумуляции в долине приходились на время LGM (23–20 тыс. л. н.). Также понижение параметров стока (относительно предшествующего позднеледникового этапа) присуще голоцену. Водность в голоцене тоже не была однородной, но в целом она была ниже, чем в позднеледниковье. Более детальная реконструкция колебаний параметров стока реки в голоцене является отдельной задачей, требующей дополнительного изучения.