КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-77-00083

НазваниеРеконструкция истории развития крупнейших озер центра Восточно-Европейской равнины за последние 20 тысяч лет: основа для прогноза изменений в состоянии озерных экосистем в 21 веке

РуководительКонстантинов Евгений Александрович, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской Академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-701 - Палеогеография

Ключевые словаОзеро Неро, Плещеево озеро, поздний плейстоцен, голоцен, история развития озер, реконструкция колебаний уровня, палеоклимат, прогноз опасных природных процессов

Код ГРНТИ39.19.29

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В рамках проекта предполагается проведение комплексного исследования донных отложений и террас озер Плещеево и Неро с целью детальной палеогеографической реконструкции истории развития озер и, в частности, колебаний уровня воды в конце позднего плейстоцена и в голоцене. Реконструкция истории озер Неро и Плещеево имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Первое связано с тем, что мощные (до 100 м) толщи отложений, накопившихся в котловинах этих озер, представляют собой наиболее полные седиментационные архивы позднего плейстоцена и голоцена центра ВЕР. Однако изученность этих палеоархивов не соответствует современному методическому уровню. Большая часть работ, посвященная реконструкции истории озер Плещеево и Неро, относится к 50-90 гг. XX столетия. Работы этого периода, при большом объеме геологического материала и высокой ценности полученных палеонтологических результатов, слабо обеспечены (по объективным причинам) возрастными определениями и результатами вещественного анализа отложений. За последние 30 лет системных исследований по заявленной проблеме вовсе не проводилось, а единичные работы (Александровский, 2011; Wohlfarth et al., 2006; Лаврушин, 2016), решали лишь частные палеогеографические задачи. Все эти обстоятельства не способствуют повышению качества и детальности палеореконструкций для позднего плейстоцена и голоцена центра ВЕР, которые могли бы повысить плотность покрытия территории восточной Европы палеоклиматическими данными. По этим же причинам накопился целый ряд противоречий в представлениях о трансформации гидрологической сети территории Ярославского Поволжья - опорного страторегиона позднего плейстоцена и голоцена центра ВЕР. В частности, нерешенным остается вопрос максимального уровня рассматриваемых озер на этапе деградации поздневалдайского ледника. Вызывает дискуссию связь озер с системой приледниковых водоемов (Гунова, 1975; Квасов, 1975). Спорным остается возраст озерных террас, хорошо выраженных на бортах озерных котловин (Гунова, 1975; Карта четвертичных образований, 1968; Писарева и др., 1998). Также существуют существенные расхождения в представлениях об истории колебания уровня озер в голоцене (Алешинская, Гунова, 1997; Александровский, 2011; Wohlfarth et al., 2006; Лаврушин, 2016). Прикладное значение проекта обусловлено потребностью прогнозирования развития опасных экзогенных процессов и гидрологических явлений на побережье озер в условиях ожидаемых климатических изменений (IPCC, 2013). Важность такого прогноза связана с проблемой обеспечения сохранности объектов историко-культурного наследия, расположенных в прибрежной зоне озер – в древних городах Ростов и Переславль Залесский. Например, угроза значительного подъема уровня озер представляется вполне реалистичной. Так Ю.А. Лаврушиным (2016) было показано, что в XI-XII вв. уровень озера Неро мог превышать современный на несколько метров, что приводило к затоплению значительных площадей в днище Ростовской котловины. Прогнозирование изменения уровня озер и их геоморфологических последствий требуют понимания связей климатической системы с изменениями гидрологического режима и экзогенных процессов в водосборных бассейнах. Установление этих связей невозможно без детальных палеореконструкций природных обстановок и надежного датирования, которые и предполагается выполнить в рамках проекта. В ходе реализации проекта будет проведено исследование строения донных отложений путем ручного бурения и георадарного профилирования. С целью определения генезиса и возраста террас, расположенных на бортах озерных котловин, будет выполнено исследование их геологического строения путем бурения и шурфовки. Детальные геодезические работы с использованием DGPS и аэрофотосъемка с БПЛА позволят уточнить топографию террас, на основании которой будут реконструированы высокие уровни палео-озер. Важнейшим этапом работы будет определение возраста отложений путем радиоуглеродного и ОСЛ датирования. Запланировано проведение исследований вещественного состава: определения содержания органического вещества и карбонатов, гранулометрический анализ, валовой химический анализ методом РФА. С целью реконструкции трофического статуса водоемов и получения косвенных данных о глубинах и проточности будут выполнены диатомовый анализ и комплексный биологический анализ (по методике Н.В. Кордэ, 1960). Организация, на базе которой планируется осуществлять проект (ИГ РАН) располагает всем необходимым оборудованием и техническими средствами для выполнения заявленных работ. Руководитель проекта имеет опыт полевой, лабораторной и камеральной работы в данной области исследований. По теме проекта имеется большой задел: по инициативе Е.А. Константинова в 2017-2018 гг. были проведены полевые работы в котловинах озер Неро и Плещеево. Осуществлено ручное бурение донных отложений озер со льда, проведены геодезические работы и бурение на террасах озера Неро. В общей сложности получено 14 ненарушенных колонок донных отложений суммарным метражом - 70 п.м., пробурено 11 скважин на террасах юго-восточного борта котловины озера Неро. Заявленная реконструкция истории колебания озер Плещеева и Неро, проведенная на современном методическом уровне, внесет заметный вклад в палеолимнологию центра ВЕР. Полученные материалы, опубликованные в рецензируемых международных журналах, позволят пополнить глобальные и региональные базы данных по палеолимнологии и истории экосистем (NOAA, PBDB, Neotoma Paleoecology Database, PaleoLake и др.).

Ожидаемые результаты
1. Создание научно-обоснованной реконструкции изменения уровня озер Плещеева и Неро за последние 20 тысяч лет. Большой интерес к озерам со стороны палеоэкологов во всем мире обусловлен тем, что компоненты гидрологического режима озер, очень чувствительные к климатическим изменениям, можно реконструировать, изучая озерные отложения. Малейшие изменения уровня, температуры, солености, степени проточности, трофического статуса, и других компонентов отражаются на составе озерного осадка - уникального континентального природного архива, который по своей детальности, широте хронологического охвата и географии распространения не имеет себе равных. Палеогидрологические реконструкции, выполненные для множества регионов мира (Северной Америки, Центральной и Западной Европы, Центральной Азии и др.), позволили существенно уточнить наши представления об изменениях гидротермического режима на Земле за последние десятки и сотни тысяч лет (Magny, 2004, Bradley, 2013; Jones, Jordan, 2013; Yu et al. 2013; Cohen, 2017; Wennrich et al., 2016). Причем, ключевым индикатором климатических изменений в большом числе работ выступает именно колебания уровня озер - результирующего параметра, отражающего изменения водного баланса. Реконструкция истории колебания озер Плещеева и Неро, проведенная на современном методическом уровне, внесет заметный вклад в палеолимнологию центра ВЕР, где уровень изученности истории озер значительно ниже по сравнению, например, с Западной и Центральной Европой. Полученные материалы, опубликованные в международных журналах, позволят пополнить глобальные и региональные базы данных по палелимнологии и истории экосистем (NOAA, PBDB, Neotoma Paleoecology Database, PaleoLake и др.). 2. Выявление связи колебания уровня озер с климатическими флуктуациями в конце позднего плейстоцена и голоцене. До сих пор существуют пробелы в понимании реакции сложных геосистем (в т.ч. бассейнов крупных озер) на изменения климата. Одним из распространенных подходов к решению такой задачи является метод палеоаналогов (Будыко, 1987; Величко, 1991), который предполагает поиск в геологическом прошлом климатических условий с заданными параметрами и определение отклика отдельных компонентов геосистем на эти условия. Так как ход климатических изменений за последние 20 тысяч лет реконструирован весьма детально для территории Европы (Masson-Delmotte et al., 2013; Hoogakker et al., 2016; Novenko et al., 2015), мы имеем возможность использовать этот интервал для поиска климатических палеоаналогов прогнозируемого потепления климата (IPCC, 2013), что позволит определять реакцию озерных бассейнов на предстоящее потепление. В качестве палеоаналога может рассматриваться атлантический оптимум голоцена, в ходе которого среднегодовая температура для центра ВЕР превышала современные значения на 1-2 градуса Цельсия (Величко и др., 2009). Достижение данного результата создает фундаментальные основы для прогнозирования реакции геосистем на ожидаемые изменения климата, что полностью соответствует мировому уровню исследований в данной области науки. 3. Определение тренда изменения среднего уровня озер центра ВЕР в ходе ожидаемых климатических изменений ближайшего столетия и оценка вероятности интенсификации опасных экзогенных процессов и гидрологических явлений в береговой зоне озер. Прикладная значимость данного результата связана с прогнозированием развития опасных экзогенных процессов и гидрологических явлений в бассейнах озер Неро и Плещеево в ходе ожидаемых климатических изменений. Основу для такого прогнозирования составит описанный выше метод палеоаналогов. Проблема развития опасных природных процессов обостряется тем, что в береговой зоне исследуемых озер расположены объекты национального историко-культурного наследия - архитектурные ансамбли и археологические памятники Ростова и Переславля Залесского. И это при том, что береговая зона как раз является наиболее уязвимым элементом ландшафта, в котором при изменении уровня воды в озерах могут развиваться такие негативные природные процессы как абразия берегов, затопление и заболачивание. Таким образом, результаты предлагаемых исследований в итоге будут способствовать защите населения, памятников и объектов инфраструктуры от угроз, связанных с проявлением опасных природных процессов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
За отчетный период был проведен комплекс полевых, лабораторно-аналитических и камеральных работ, нацеленных на реконструкцию колебания уровня озер Плещеево и Неро в позднем плейстоцене и голоцене. Для серии колонок донных отложений озера Неро, отобранных по профилю Ростов-Угодичи, выполнено определение содержания основных осадкообразующих компонентов: органического вещества, карбонатов и терригенного вещества. На основании вновь полученных аналитических характеристик выполнена корреляция между колонками на профиле Ростов-Угодичи и детально датированной колонкой, опубликованной в работе Wohlfarth et al., 2006, что позволило подойти к оценке возраста палеогеографичских событий. Проведена расшифровка и интерпретация радорограммы по линии профиля. Построен разрез донных отложений озера Неро по линии Ростов-Угодичи. На основе новых данных по строению отложений были скорректированы существующие в литературе представления о ходе колебаний уровня озера Неро в голоцене. Так, выявлена глубокая регрессия (до отметки 85 м абс.) в первой половине голоцена, которая сменилась трансгрессией в начале атлантического периода. Предложен новый вариант кривой колебания уровня озера Неро в голоцене. По результатам бурения скважины К-1 на площадке третьей озерной террасы западного борта Ростовской котловины (участок Пужбол) установлено наличие озерных органо-терригенных отложений (суглинок, гиттия) под покровно-суглинистой толщей. Определение возраста озерных отложений позволит оценить время высокой трансгрессии озера, поднимавшейся до отметок 110 м (уровень тылового шва террасы). Образцы древних озерных отложений переданы в радиоуглеродные лаборатории для проведения датирования. В ГИС-приложении на основе цифровой модели рельефа SRTM проведено моделирование затопления территории при подъеме уровня воды до высоты 110 м абс. Установлено, что площадь озера при таком подъеме уровня возрастает примерно в 5 раз. По результатам машинного бурения скважины KUPAN-8 установлена мощная толща песчаных отложений (более 20 м) на низкой террасе Плещеева озера к северо-востоку от села Купанское. Из основания песчаного разреза отобраны угли, которые переданы в лабораторию для радиоуглеродного AMS анализа. Причины и возраст накопления мощных песчаных толщ на данном этапе не ясны. По результатам бурения скважин TR-1 и TR-2, расположенных в долине реки Трубеж на 5-метровой озерной террасе юго-восточного борта котловины Плещеева озера, выявлено наличие погребенных озерных отложений – гиттии. Опираясь на литературные данные (Писарева и др., 1998) возраст гиттии предварительно оценивается как микулинский. Для проверки данной гипотезы образцы гиттии были переданы в лаборатории для радиоуглеродного датирования. В глубоководной части Плещеева озера вскрыта толща сапропеля мощностью не менее 4 м. Керн скважины PLESH-4 в настоящее время находится в стадии обработки. Вскрыто строение подводной террасы восточного борта ванны Плещеева озера (глубина 5-8 м). Терраса представлена толщей слоистых супесчано-суглинистых отложений, практически лишенных органической компоненты. Такое строение осадка говорит об интенсивном поступлении терригенного материала в прибрежную часть озерного дна. Это в свою очередь может говорить как о высокой скорости береговой абразии и интенсивном поступлении наносов со стоком рек, так и глубокой амплитуде колебания уровня озера в голоцене, приводящего к смене фациальных обстановок на отдельных участках дна. Предложена новая технология отбора колонок слабоконсолидированного донного осадка, включающая в себя буровую систему и способ ее эксплуатации. В основе предлагаемой технологии лежит ряд оригинальных решений: 1) унификация элементов буровой колонны, где в качестве, как пробоотборника, так и штанг используются бытовые трубы из ПВХ; 2) использование клапанного механизма простой конусной конструкции; 3) методика вертикального замораживания керна на отрытом воздухе. Буровая система позволяет выполнять отбор колонок придонного ила зимой со льда при глубине водоема до 7-10 метров. Полевые испытания показали, что предлагаемая система является недорогой, простой в сборке и эксплуатации, но в то же время весьма эффективной и надежной. Она может служить альтернативой или дополнением по отношению к существующим системам отбора колонок донных осадков. Испытания в рамках настоящего проекта проводились на озере Плещеево и Сомино.

 

Публикации

1. Константинов Е.А. Новая технология отбора колонок слабоконсолидированного донного осадка Океанология, - (год публикации - 2019)

2. Константинов Е.А., Карпухина Н.В., Беляев В.Р., Захаров А.Л. РОСТОВСКАЯ НИЗИНА (ЯРОСЛАВСКАЯ ОБЛАСТЬ): СЛЕДЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ БОЛЬШИХ ОЗЕР В ПОЗДНЕМ ПЛЕЙСТОЦЕНЕ Сборник материалов 12-ой международной молодежной школы-конференции «Меридиан»: глобальные процессы и их региональные аспекты, - (год публикации - 2019)

3. Константинов Е.А., Карпухина Н.В., Беляев В.Р., Захаров А.Л. Rostov lowland (Yaroslavl region, Russia) - was there a gulf of proglacial lake? INQUA 2019 conference book, - (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период было проведено коплексное изуение колонки донных отложений из наиболее глубокой части озера (скважина PLESH-4 глубиной 2,6 м). Проведены гранулометрический анализ, потери при прокаливании, измерения магнитной восприимчивости, анализ элементного состава и начат диатомовый анализ. Строение осадка из центральной глубоководной части озера говорит о достаточно стабильных условиях осадконакопления. Относительно стабильное содержание Si на глубинах 60-260 см свидетельствует о постоянном источнике сноса. В то же время наличие относительно тяжелых Ва и Ti в Ch-1Pl (220-260 см) свидетельствует об интенсивном перемешивании – при более спокойных условиях осадконакопления эти элементы из-за гравитации оседают в прибрежной части акватории. Состав В интервале 60-90 см (Ch-4Pl) значение Si/Ti достигает своего максимума – 267, что может означать смену источника сноса либо возрастание устойчивости прибрежных участков озера. Кроме того, Si так же может иметь биогенное происхождение. (связанное с количеством диатомовых водорослей, либо адсорбированный растениями). В целом данные по элементному составу свидетельствуют об изменении кислотности увеличении биопродуктивности и нутрификации воды в это время. Сильная вариативность элементного состава в интервале 0-60 см отложений может возникнуть вследствии некоторого понижения уровня озера и стабилизацией климата, при которой увеличились температуры и берега стали более устойчивы к эрозии за счет растительного покрова. Другой причиной может быть увеличение турбулентности и привнос ракушечного детрита в более глубокие части озера. Результаты диатомового анализа указывают на постоянные глубоководные условия – по всей колонке преобладают планктонные ацидофильные холодолюбивые виды. При этом высокое содержание створок видов Aulacoseira granulatа и Aulacoseira ambigua может быть связано с активной гидродинамикой озера – например, возникновением ветровых волн (Wang et al., 2008). Некоторое увеличение перифитонных видов на глубинах 2-90 см может указывать на некоторое снижение уровня воды при сохранении значительных глубин и холодных зимних условий. Для образцов из скважин NER-5 NER-6 выполнен диатомовый анализ. По результатам анализа можно выделить два интервала, которые явно различаются диатомовым составом и в них несколько интервалов с меньшими изменеиями. I. Нижняя часть разреза 670-1310 см. Преобладают виды Aulacoseira granulatа, Cavinula scutelloides, Staurosirella martyi, в меньшем количестве найдены Aulacoseira ambigua, Cyclostephanos dubius, Stephanodiscus alpinus, Amphora copulata. Во всем интервале преобладают планктонные эвтрофные виды. Алкалифильные виды преобладают, но некоторых интервалаx возростает процент алкалибионтов. II. Верхняя часть разреза 430-670 см. Преобладают Staurosira construens, Pseudostaurosira robusta, Pseudostaurosira brevistriata, в меньшем количестве найдено Aulacoseira granulatа, Aulacoseira ambigua. В интервале преобладают перифитон, алкалифильные, мезо-эвтрофные виды. В феврале 2017 и 2020 гг. в СВ части акватории озера выполнены промеры глубин со льда ручным лотом. В общей сложности глубины были измерены в 180 точках, покрытая площадь составила 14,7 км2. пПо результатам промеров составлена батиметрическая карта. В строении озерных отложений в районе СВ горл поз. Неро повсеместно установлены резкие эрозионные контакты на глубинах около 8-9 м, где под карбонатными илами вскрывается торфянистая гиттия (0,3 м), залегающая на супесях (0,3-0,5 м). Ниже супесей залегают плотные сизые суглинки. Таким образом, строение отложений, установленное ранее на проифиле «Ростов-Угодичи» воспроизводится – выявляется раннеголоценовый этап обмеления озера. В результате бурения и георадарного профилирования установлено переуглубление в палеорусле на участке «ИШНЯ». От 0 до 6,5 м вскрыта старичная фация с переслаиванием тофра, гиттии и песка, с обилием крупных древесных фрагментов. Глубже 6,5 м (90,5 м абс.) вскрыты мелкозернистые пески, еоторые интерпретируются нами как аллювиальные. Таким образом, установлено, что на этапе активного функционирования палеорусла, его ложе находилось на отметках ниже современного уровня оз. Неро. Исследовано строение террас 110 и 105 м на западном борту Ростовской котловины в районе дер. Поддыбье. По результата бурения террасы 110 м установлено, что под 4-5 м слоем делювиально склоновых отложений залегает мощная пачка озерных слоистых супесей. Наличие палеопочвы над озерными отложениями указывает на древний, домикулинский возраст озерных супесей. Если гипотеза окажется верной, то будет исключено проявление трансгрессий в позднем плейстоцене выше 110 м. Бурение террасы 105 метров на данном участке показазало наличие озерных отложений под слоем торфа, мощностью более 2 м. Озерные отложения представлены минеральными илами (суглинками). Предположительный возраст кровли может соответствовать позднеледниковью. Построена кривая колебания уровня озера Неро. Подтверждена глубокая регрессия уровня озера Неро в начале голоцена. Стратиграфические несогласия в осадках четко фиксируют этап низкого положения уровня (ниже 85 м абс.), который соотносится с интервалом от 13 до 9 т.л.н. Реконструирован подъем уровня до современных (или несколько превышающих современные) отметок на этапе от 9 до 6,5 т.л.н. В интервале 6,5 – 2,5 т.л.н. реконструируется низкое положение уровня - ниже современного на 1-4 м. Уровень озера Неро стабилизировался на современных отметках примерно 2 т.л.н. - в первой половине субатлантического периода. Возможными причинами колебания уровня озера Неро в голоцене были трансформации флювиальных систем, связанные как с изменением баланса эрозии и аккумуляции, так и с внутренним саморазвитием речных русел.

 

Публикации

1. В.Р. Беляев, Е.В. Гаранкина, И.Ш. Шоркунов, Е,А, Константинов, А.В. Русаков. Ю.В. Шишкина, П.В. Андреев, Т.А. Верлова Holocene erosion and deposition within a small catchment of the northeastern Borisoglebsk Upland (Central European Russia) IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 438 (2020) 012002 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1755-1315/438/1/012002

2. Константинов Е.А. Новая технология отбора колонок слабоконсолидированного донного осадка Океанология, Т. 59. - №5. - C. 875-880 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.31857/S0030-1574595875-880

3. Константинов Е.А. A New Technology of Coring for Bottom Soft Sediments Oceanology, Vol. 59, No. 5, pp. 791–796 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0001437019050084

4. Константинов Е.А., Карпухина Н.В., Захаров А.Л., Бричева С.С., Украинцев В.Ю., Лазукова Л.И., Рудинская А.И. Fluctuations of Nero Lake in the Holocene Doklady Earth Science, Vol. 506, Suppl. 1, pp. S48–S54 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1028334X22700258

5. Константинов Е.А., Карпухина Н.В., Захаров А.Л., С.С. Бричева, В.Ю. Украинцев, Л.И. Лазукова. А.И. Рудинская, Е.В. Гаранкина, В.Р. Беляев ИСТОРИЯ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ ОЗЕРА НЕРО В ГОЛОЦЕНЕ Журнал Геоморфология, - (год публикации - 2020)

6. Константинов Е., Карпухина Н., Беляев В., Захаров А. Rostov lowland (Yaroslavl region, Russia) - was there a gulf of proglacial lake? Abstract 20th Congress of the Interna-tional Union for Quaternary Research (INQUA), Dublin, 25-31 July 2019, P-4860 (год публикации - 2019)

7. Константинов Е.А., Карпухина Н.В., Бричева С.С. СТРОЕНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕРА НЕРО (ЯРОСЛАВСКАЯ ОБЛАСТЬ) И ИХ ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ Литология осадочных комплексов Евразии и шельфовых областей: материалы IX Всероссийского литологического совещания (с международным участием) (Казань, 30 сентября-3 октября 2019 г.), с. 196 (год публикации - 2019)

8. Константинов Е.А., Рудинская А.И., Лазукова Л.И., Карпухина Н.В., Бричева С.С. НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО ИСТОРИИ ОЗЕРА НЕРО В ГОЛОЦЕНЕ Материалы V Всероссийской научной конференции с международным участием «Динамика экосис- тем в голоцене» (к 100-летию Л.Г. Динесмана) [отв. ред. А.Б. Савинецкий]. – М.: Медиа-ПРЕСС, 2019. – 360 с., табл., ил., с. 148-149 (год публикации - 2019)

Возможность практического использования результатов
не указано