Геоморфология и палеогеография, 2022, T. 53, № 2, стр. 51-60

ВВЕДЕНИЕ

Характерными формами рельефа, распространенными на юге Западно-Сибирской равнины, являются гривы – относительно невысокие (от первых метров до 10–15 м) положительные формы рельефа в виде удлиненных (от нескольких десятков до сотен метров) холмов с пологими склонами, ориентированные преимущественно с ЮЗ на СВ. Изучение грив ведется на протяжении века, и большинство исследователей считают их результатом деятельности ветра [1–3]. Но вопрос об их происхождении не решен окончательно. В ряде работ обосновывается флювиальная природа этих образований [4–7]; предлагаются абразионно-аккумулятивная [8], делювиальная [3, 9] и другие модели формирования грив. Ряд исследователей, анализируя морфологию, состав, свойства, возраст гривных отложений, приходят к выводу об их полигенетической природе [10–12]. В формировании грив, помимо ведущего процесса рельефообразования, могут принимать участие аллювиальные, делювиальные, озерные, флювиогляциальные процессы. Большую роль в их развитии играют криогенез, физическое и химическое выветривание, которые преобразуют исходный минералогический, химический, гранулометрический, агрегатный состав отложений и их свойства.

Широко распространенный рельеф грив юга Западно-Сибирской равнины не является однородным. Гривы встречаются на разных геоморфологических уровнях: они занимают выровненные поверхности междуречий и их склоны, озерные котловины, ложбины древнего стока, речные долины. На морфологию, состав и строение грив оказывают влияние: микрорельеф, особенности гидрологических процессов, близость и характер источников сноса эолового материала, местные климатические условия и др. Поэтому необходимы детальные исследования грив, сформированных в различных условиях.

Наиболее изученными в Западной Сибири являются гривы, расположенные на междуречьях (Обь-Иртышское, Ишим-Тобольское, Ишим-Иртышское); в котловинах озер (Чаны, Саргуль, Урюм, Убинское); на высоких надпойменных террасах рек (Ишим, Иртыш, Тобол, Кеть) [1, 2, 7, 10, 13]. Эоловым образованиям на низких террасах и в поймах рек посвящено меньше работ, но такие сведения имеются. Описаны древние и современные эоловые формы в долинах Амура [14], Вилюя [15], Иртыша [13], Ишима [12]. Очевидно, гривы в днищах речных долин и на междуречных равнинах формировались в разных условиях, что отражается в их морфологических, литологических, минералогических и других особенностях. Одной из важных характеристик является гранулометрический состав отложений; его изучение имеет большое значение для установления генезиса и последовательности формирования грив.

Целью данной работы является определение гранулометрического состава эоловых отложений, вскрытых в Черноозерской гриве на первой надпойменной террасе р. Иртыш. Задачами гранулометрического анализа являются: точное определение механического состава и названия пород, определение коэффициентов, анализ их изменчивости по профилю, что позволяет установить комплекс процессов рельефообразования, участвующих в формировании грив в речных долинах и реконструировать условия отложения терригенного осадка.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Район исследования находится в южной части Западно-Сибирской равнины на Среднеиртышской низменности вблизи пос. Черноозерье, географические координаты вершины гривы в системе WGS-84: N 55°43′52.54″, E 73°58′08.20″. Долина Иртыша на данном участке широкая, с хорошо развитой поймой и комплексом надпойменных террас. Урез воды составляет 62.5 м над у. м., относительная высота поймы 5–7 м. Первая терраса встречается в виде фрагментов и островов-останцов, ее высота над урезом воды составляет 9–12 м. Аллювиальные отложения террасы поздненеоплейстоценового возраста представлены песками, супесями, суглинками, их мощность изменяется от 8 до 28 м [16].

На поверхности террасы встречаются гривы. Они распространены локально, поскольку терраса во многих местах размыта, но их морфологический облик весьма характерен: веретенообразная вытянутая форма, длина от нескольких десятков до сотен метров, СВ простирание, асимметричные склоны, относительная высота – от первых метров до 10–12 м. Объект исследования – Черноозерская грива – находится в левобережной части долины, возвышается над площадкой террасы на 1–3 м. Максимальная абсолютная высота гривы составляет 77 м над у. м. Она представляет собой удлиненный холм, ориентированный на СВ, с резко асимметричными склонами – СЗ более пологий, ЮВ, обращенный к реке, – крутой. Длина гривы около 700 м, ширина – до 150 м. В толще ее отложений обнаружен позднепалеолитический археологический комплекс Черноозерье II.

Для изучения отложений гривы применялись следующие методы: визуальное описание отложений по стенкам археологического раскопа, датирование, гранулометрический анализ. Датирование осадков проведено радиоуглеродным методом (Центр археометрии Курта Энгельхорна (MAMS), г. Майнхайм, Германия), а также методом оптико-стимулированной люминесценции (Институт эволюционной антропологии Макса Планка (L-Eva), г. Лейпциг, Германия). Гранулометрический анализ выполнен в Геоэкологической лаборатории Института географии Лейпцигского университета (Германия). Разделение породы на гранулометрические фракции производилось по ϕ-шкале Крумбейна согласно стандарту ISO 14688-1-2017 [17]. Фракции выделялись путем сочетания просеивания (частицы диаметром >63 мкм) и осаждения. Пропорции алеврита и глины в диапазоне размеров зерен <63 мкм определялись с помощью рентгеновского гранулометра SediGraph III 5120 с MasterTech MT 052 фирмы Micromeritics. Результаты получены в виде массового процентного содержания десяти фракций (табл. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Черноозерская грива в долине р. Иртыш имеет цокольное строение. Общая мощность ее отложений достигает 8.5 м. Цоколь сложен аллювиальными осадками первой надпойменной террасы – тонкозернистыми песками, супесями, суглинками с включениями гравия и мелкой гальки. Они вскрыты на глубине 2.5–3 м от поверхности гривы [18]. Прибровочная возвышенная часть террасы, на которой расположена грива, представляет собой древний прирусловой вал преимущественно песчаного состава (рис. 1). На данном участке долины вал вытянут соответственно изгибу русла с ЮЗ на СВ в виде удлиненного возвышения, направленного вдоль господствующих ЮЗ ветров, режим которых, вероятно, установился в данном районе в позднем неоплейстоцене [19]. Прирусловой вал стал основанием для накопления эоловых отложений, дав начало развитию продольной береговой дюны. Выдуванию, транспортировке и переотложению по всей видимости подвергались аллювиальные пески береговых отмелей, песчаных кос, островов, прирусловых валов, надпойменных террас, коренных обнажений р. Иртыш, расположенных в непосредственной близости от гривы и имеющих литологический состав, схожий с ее отложениями – тонко- и мелкозернистые пески, супеси и суглинки желто-серого и желто-бурого цвета (рис. 1), [16]. Также в отложениях гривы присутствуют алевритовые частицы, принесенные ветром во взвешенном состоянии из далеко расположенных источников – “холодный” лёсс, который накапливался в перигляциальных условиях во время похолодания и усиления интенсивности ветра, связанного с сартанской фазой зырянского оледенения. Накопление эоловых осадков происходило в период 15–10.5 тыс. л. н. (рис. 2).

Рис. 1.

Схема взаимоотношений четвертичных отложений в долине р. Иртыш (Саргатское Прииртышье) [16] Квадратом обозначен древний прирусловой вал на поверхности первой надпойменной террасы.

Современные аллювиальные отложения: alQ_IV(2) – низкой поймы (пески желто-серые, тонкозернистые, суглинки грязно-бурые, синие, иловатые), alQ_IV(1) – высокой поймы (пески серые тонко- и мелкозернистые, слюдистые, суглинки желто- и синевато-серые, часто иловатые); верхнечетвертичные–современные отложения: l+hQ_III-IV – озерно-болотные отложения заболоченных понижений (суглинки желто-бурые, голубовато-серые, иногда иловатые, редко пески тонкозернистые, торф и сапропели), dQ_III-IV – делювиальные отложения (супеси, пески, глины); верхнечетвертичные отложения: alQ_IIII – аллювиальные отложения I надпойменной террасы – (пески тонкозернистые, супеси, суглинки голубовато- и желто-серые, иногда иловатые, участками тонкослоистые, обохренные), el+dQ_III – элювиально-делювиальные покровные отложения (суглинки, редко супеси и пески тонкозернистые; породы желто-бурые с известковой вкрапленностью), eolQ_III – эоловые отложения грив (супеси, пески, реже суглинки желто-бурые, пылеватые), alQ_IIIII – аллювиальные отложения II надпойменной террасы (пески тонкозернистые, суглинки, глины желто-серые, сине-серые, часто иловатые, карбонатные); средне-верхнечетвертичные отложения: alQ_II-IIIIII – аллювиальные отложения III надпойменной террасы (глины, суглинки сине-серые, серые, часто иловатые, пески тонкозернистые). Литологический состав пород: 1 – глины, 2 – суглинки, 3 – супеси, 4 – пески, 5 – переслаивание песков, суглинков, 6 – породы разнообразного состава (только для dQ_III-IV).

Рис. 2.

Литологическая колонка и гранулометрическая характеристика субаэральных отложений Черноозерской гривы.

V2/1–V2/12 – номера образцов; 1–9 – номера слоев, выделенных по структурно-текстурным особенностям; I – песок пылеватый тонкозернистый, II – песок глинистый тонкозернистый, III – гумусированные прослои, IV – линзы песка, V – морозобойная трещина, заполненная суглинистым осадком серого цвета, VI – следы карбонатизации: карбонатные конкреции, налет, VII – слоистость тонкая косая, VIII – отвал, IX – почвы, X – субаэральные толщи.

Субаэральные осадки эолового генезиса слагают верхнюю 2–3-метровую толщу отложений гривы. Это преимущественно мелкозем светло-коричневого цвета с редкими включениями мелкого гравия, в его толще сформировались два горизонта погребенных почв. Слоистость отсутствует или слабо выражена в виде чередования малозаметных косых и волнистых слойков. Визуально она определяется лишь во влажном состоянии небольшими изменениями гранулометрического состава и плотностью. Слойки толщиной в несколько миллиметров, субгоризонтальные или слабонаклонные, с волнистыми границами. Среди структурно-текстурных особенностей также отмечаются: однородность отложений, отсутствие резких переходов между слоями, наличие линз песка, пористость и пустоты в виде корнеходов, нор и каналов землероев, следы криогенных деформаций. В слоях заметны признаки карбонатизации: белесый налет, карбонатные конкреции и стяжения.

Для точного определения механического состава отложений и уточнения вопроса об условиях их образования был проведен гранулометрический анализ. Он показал, что обломки диаметром менее 2 мм составляют 95–98% всей субаэральной толщи. Содержание песчаных частиц в пробах достигает 49–80%, алевритовой фракции – от 8 до 30%, глинистой – от 9 до 17% (рис. 3). По гранулометрическому составу эоловые осадки гривы относятся к пылеватым пескам, а погребенные почвы – к глинистым пескам (по ISO 14688-1-2017 [17]).

Рис. 3.

Гранулометрический состав отложений Черноозерской гривы, % (V2/1–V2/12 – номера образцов).

По содержанию выделенных фракций составлены кривые частотного распределения и кумулятивная (рис. 4), графическим способом рассчитаны средний (Ма) и медианный (Мd) размеры зерен, коэффициенты сортировки (So) и асимметрии (Sk), эксцесс (E), получены значения динамического фактора (F) (рис. 2). Данные гранулометрические коэффициенты, в сочетании с другими характеристиками породы, а также морфологическими признаками сложенной ими формы рельефа, позволяют судить об обстановках накопления осадков. Этот вопрос актуален в связи с существующими гипотезами о роли различных геологических процессов в формировании грив на юге Западно-Сибирской равнины. В связи с этим представляет интерес, насколько гранулометрические характеристики гривы подтверждают ее эоловое происхождение, как они меняются в разрезе и какие данные могут предоставить информацию об условиях осадконакопления.

Рис. 4.

Кривые частотного (а) и кумулятивного (б) распределений гранулометрического состава для образцов V2/1 – V2/12.

Размер зерен в терригенных породах указывает на условия и динамику среды их отложения. Для эоловых осадков характерно резкое преобладание мелкого, тонкого песка и крупного алеврита [20]. В отложениях Черноозерской гривы суммарное содержание этих фракций (размерностью от 0.2 до 0.02 мм) составляет от 60 до 80%. Медианный размер зерен (Md) изменяется от 0.119 до 0.172 мм, а средний размер частиц (Ma) колеблется в интервале 0.090–0.096 мм. Распределение фракций в породе унимодальное (рис. 4), пик находится в интервале 0.125–0.063 мм, что соответствует фракции тонкозернистого песка.

Отложения гривы состоят преимущественно из частиц относительно крупного для эоловых отложений размера (песок, крупный алеврит), поэтому, согласно классификации Е.В. Шанцера [21], их можно отнести к подтипу перевеянных (перфляционных) осадков эолового типа, которые в отличие от навеянных (суперфляционных) отложений, перемещаются вблизи поверхности преимущественно сальтацией и волочением и образуют отдельные формы рельефа. Перфляционные осадки накапливаются на относительно небольшом расстоянии от источников сноса (до нескольких километров).

О динамике среды осадконакопления можно судить по величине динамического фактора (F) и по форме кумулятивной кривой (метод Дугласа) [20]. Динамический фактор это – соотношение в породе песка (Sa) и глинисто-алевритовой фракции (Si+Cl). В случае если F < 1, это свидетельствует о поступлении вещества в виде мелких частиц в воздушной взвеси. Если F > 1, образование осадка происходило преимущественно за счет песчаного материала, который перемещался сальтацией и волочением. В разрезе Черноозерской гривы динамический фактор всюду положительный, что свидетельствует о поступлении материала от близко расположенных источников сноса, которыми могли быть песчаные отложения в долине реки. При этом наблюдаются существенное увеличение динамического фактора (F) в горизонтах эоловых песков (до 3.97–4.57) и его снижение в погребенных почвах (1.08–1.45), что может быть связано с их постседиментационными химическими и биологическими преобразованиями.

Форма кумулятивной кривой показывает, какая часть крупного осадка откладывается в потоке, имеющем высокую энергию, и как крупность частиц, связанных с энергией потока, распределяется в дальнейшем при ее снижении. Так, по форме кумулятивной кривой можно судить о динамических условиях накопления осадка. Кривая R-типа свидетельствует о высокой энергии транспортирующего потока и отложении крупных частиц, S-тип описывает отложение более мелких частиц в потоках с переменной динамикой, T-тип характерен для осадка, откладывающегося в малоподвижной среде. Кумулятивная кривая отложений Черноозерской гривы относится к S+T – типу (рис. 4), т.е. выпадение значительной доли осадка происходило из пульсирующего потока, не содержащего крупных фракций, а наибольшая их часть откладывалась в низкоэнергетическом потоке. Такие динамические условия характерны для подветренных склонов дюн, на которых сила ветрового потока затухает, а препятствие в виде склона оказывает на осадок сортирующее воздействие.

Отличительной особенностью эоловых песков является хорошая сортированность, поскольку при перевевании из них удаляются мелкие частицы (глина, тонкий алеврит), а гравий и более крупные обломки (более 2 мм) могут подниматься в воздух только ветрами ураганной силы, что происходит достаточно редко. Сортированность образцов оценивалась по коэффициенту П. Траска (So), который характеризует преобладание в породе фракций определенного гранулометрического состава [22]. Чем ближе он к единице, тем лучше сортирован осадок [23]. Для песков Черноозерской гривы отмечается неравномерное значение этого показателя (рис. 2). Хорошей сортированностью обладают горизонты эоловых отложений (So = 1.24–2.11), значительно снижается она в горизонтах погребенных почв (So = 3.08–3.61), что связано, по всей видимости, с влиянием процессов почвообразования и ослаблением эолового переноса.

В ряде случаев данные о генетической принадлежности того или иного типа отложений могут быть получены с применением коэффициентов асимметрии (Sk) и эксцесса (E). Коэффициент асимметрии (Sk) отражает меру скошенности кривой частотного распределения гранулометрического состава (рис. 3). Положительная асимметрия указывает на обогащение породы тонкими фракциями, отрицательная – на относительно высокую долю грубых фракций. Эксцесс характеризует степень островершинности кривой частотного распределения гранулометрического состава, тем лучше сортировка центральной части распределения по сравнению с ее краями. Согласно эмпирическим данным [20], эоловые пески обладают близким к нулю эксцессом и положительной асимметрией. В отложениях Черноозерской гривы эксцесс (Е = 0.30–0.89) характеризует верхнюю толщу как песок, подвергшийся эоловой переработке. Коэффициент асимметрии – положительный (Sk = 0.32–1.41), т.е. пески обогащены тонкими фракциями, что также характерно для перемещенных эоловых песков, влекомых воздушным потоком и быстро осаждающихся в пульсирующей среде. Следует учитывать, что коэффициенты Sk и E имеют весьма условное значение при определении генетического типа осадков, так как данные параметры зависимы от множества региональных факторов. Вместе с тем вариативность их в разрезе позволяет судить о динамике среды отложения осадка в период его накопления.

Изменчивость гранулометрического состава пород Черноозерской гривы по профилю (рис. 2) позволяет, в совокупности со структурно-текстурными особенностями отложений, выделить различные периоды накопления осадка.

1. Субаэральная толща SA3, сформировавшаяся более 15 тыс. л. н., представляет собой тонкозернистые пески средней сортировки (Ма = 0.094; So = 2.56) с невысоким значением положительной асимметрии (Sk = 0.32). Она характеризует начальную фазу эоловой переработки прируслового вала и накопление на его поверхности эоловых осадков в финале сартанской фазы зырянского оледенения, сопровождавшегося аридизацией климата и усилением скорости ветра.

2. Ослабление эолового переноса и формирование почвы (Р2) происходило 15–14 тыс. л. н. Гранулометрический состав почвы унаследовал основные черты почвообразующих пород, а усилившиеся процессы химического и биологического выветривания привели к уменьшению медианного размера частиц (Мd = 0.119) и снижению сортировки песков до слабой (So = 3.61).

3. Активизация эоловых процессов произошла 14–13 тыс. л. н. и привела к накоплению нового слоя дюнных отложений (SA2), о чем свидетельствует усиление сортировки песков (So = 1.24), снижение среднего размера зерен (Ма = 0.094–0.091), увеличение доли мелких фракций (Sk = = 0.38–0.99), повышение динамического фактора (F = 4.57).

4. Уменьшение сортировки песков (So = 1.81–1.52), увеличение среднего размера зерен (Ма = = 0.095), снижение динамического фактора (F = = 3.89) было связано с ослаблением скорости ветра и связанного с ним эолового переноса 13–11 тыс. л. н. и начавшимся почвообразованием.

5. На рубеже неоплейстоцена и голоцена (11–10.5 тыс. л. н.) на юге Западной Сибири произошло смягчение климата, хотя он все еще оставался холодным и сухим. Пребореальный период голоцена отмечен в разрезе маломощной, но морфологически хорошо выраженной почвой (P1), в процессе формирования которой усилилась роль биогенного перемешивания вещества. Для гранулометрического состава почвы характерны: слабая сортировка, пониженный коэффициент асимметрии, повышенный эксцесс (So = 3.08; Sk = 0.20; E = 0.77). Кратковременное ослабление эолового переноса и почвообразование происходило из-за изменения климатических условий – повышения температуры воздуха, снижения скорости ветра, увеличения увлажнения.

6. Новый цикл накопления эоловых осадков (SA1) в ранние периоды голоцена определяется в разрезе по постепенному уменьшению размеров зерен (Ма = 0.090), усилению сортировки песков (So понижается до 1.58), увеличению доли тонких фракций (Sk повышается до 1.41), увеличению динамического фактора (F = 1.87–3.97). Осадки данного слоя накапливались при более низких скоростях ветра, чем в предыдущую фазу накопления эоловых отложений, и при усилении процессов физического выветривания. Активизация эоловых процессов могла быть также связана с периодами уменьшения водности Иртыша, во время которых на поверхности оказывались значительные объемы сухого песка, служившего источником поступления эоловых частиц.

ВЫВОДЫ

Черноозерская грива – полигенетическая форма рельефа. В ее основании на глубине 2.5–3 м находятся аллювиальные отложения первой надпойменной террасы – горизонтально-волнисто-слоистые тонкозернистые пески, супеси, суглинки серо-желтого, серо-коричневого цвета с линзами крупнозернистого песка, включениями гравия и мелкой гальки [18]. Верхняя часть гривы сложена субаэральными отложениями. Они представляют собой хорошо сортированные тонкослоистые пылеватые и глинистые тонкозернистые пески, разделенные горизонтами погребенных почв. Гранулометрические показатели, полученные для отложений Черноозерской гривы, характерны для песков с эоловой переработкой. Они свидетельствуют об их осаждении в низкоэнергетических потоках, при невысоких скоростях перемещения. Такие условия характерны для приземной части ветровых потоков, встречающих на своем пути препятствия в виде неровностей поверхности. В совокупности со структурно-текстурными и морфологическими признаками, отложения гривы можно отнести к генетическому типу эоловых, подтипу перфляционных (дюнных) отложений. Учитывая размер перемещаемых ветром частиц (преимущественно песчаная фракция) и величину динамического фактора, можно утверждать, что источник поступления эолового материала находился относительно недалеко, в пределах нескольких километров. Чередование песков и погребенных почв в разрезе, ритмичные колебания их гранулометрических характеристик отражают смену природных условий в перигляциальной зоне юга Западной Сибири: накопление эоловых песков на рубеже неоплейстоцена и голоцена было связано с похолоданием, аридизацией и усилением скоростей ветра, а формирование почв (15–14 тыс. л. н., 11–10.5 тыс. л. н.) происходило в условиях потепления климата и увеличения его увлажнения.