Особенности озерного седиментогенеза при формировании четвертичных комплексов Шатурской Мещеры

Горбатов, Евгений Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Особенности озерного седиментогенеза при формировании четвертичных комплексов Шатурской Мещеры
ВАК РФ 25.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Особенности озерного седиментогенеза при формировании четвертичных комплексов Шатурской Мещеры"

На правах рукописи

Горбатов Евгений Сергеевич

ОСОБЕННОСТИ ОЗЕРНОГО СЕДИМЕНТОГЕНЕЗА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ШАТУРСКОЙ МЕЩЕРЫ

Специальность 25.00.01 - Общая и региональная геология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ь; ; ¿¡ш

МОСКВА-2013

005538171

Работа выполнена на кафедре геоэкологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов» (РУДН)

Научный доктор геолого-минералогических наук,

руководитель: профессор кафедры геоэкологии РУДН Рассказов Андрей Андреевич

Официальные доктор геолого-минералогических наук,

оппоненты: ведущий научный сотрудник Института геологии рудных

месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН)

Богатырев Борис Александрович

доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Геологического института РАН (ГИН РАН)

Малиновский Юрий Михайлович

Ведущая Российский государственный геологоразведочный

организация: университет им. С.Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ)

Защита диссертации состоится «_£_» декабря 2013 г. в 1530 в ауд. 440 (5-й этаж) на заседании Диссертационного совета Д-212.203.25 при Российском университете дружбы народов по адресу: г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РУДН по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук Е.В.Карелина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Озера являются водоемами замедленного стока, обладающими способностью аккумулировать в виде донных отложений аллохтонное и автохтонное вещество, соответственно, поступающее извне и образующееся в пределах водной толщи. Основные источники осадкообразующего материала озер: наносы рек, лимноабразия, выпадение навеянных частиц, образование хемогенного и биогенного вещества, техногенная деятельность и т.д. Седиментогенез в озерных системах, выступающих в качестве конечных водоемов стока, является ключевым этапом континентального литогенеза.

Классические исследования современного озерного седиментогенеза, как модели древнего осадкообразования выполнил Н.М.Страхов (Страхов и др., 1954). Большой вклад в развитие геологических основ изучения ископаемых озерных комплексов внесли Д.В.Наливкин, Л.В.Пустовалов, Л.Б.Рухин, Ф.Дж.Петтиджон, Н.Н.Верзилин. В рамках отечественной школы палеолимнологии на базе анализа донных отложений была восстановлена история многих озер Восточно-Европейской равнины, крупных озер Средней и Центральной Азии, Сибири, Дальнего Востока, ряда малых озер севера Азии (История озер..., 1992; Субетто, 2009).

Способность озерных осадков непрерывно накапливать и сохранять с высоким пространственно-временным разрешением информацию о прошлых природно-климатических, тектонических, ландшафтно-геохимических, техногенных условиях и процессах, определяет научные перспективы исследований лимногенных комплексов. Например, озерные осадки с выраженной сезонной слоистостью, предоставляют исследователям большой объем данных для составления длительных временных рядов параметров окружающей среды, используемых для реконструкции и прогнозирования климатической изменчивости. Изучение озерных комплексов как индикаторов палеогеографических условий с помощью геолого-геоморфологических, литолого-геохимических, геофизических и палеонтологических методов является основной задачей активно развивающейся научной дисциплины - лимногеоло-гии, возникшей в середине 90-х годов XX века.

Настоящая работа посвящена выявлению основных пространственно-временных закономерностей озерного седиментогенеза в Мещерской низменности, отражающих эволюцию озер и развитие рельефа этого района в меняющихся природно-климатических условиях четвертичного времени.

Одним из важных направлений работы является геохимия озерных осадков. Актуальность такого направления подчеркивается необходимостью расширения способов индикации природной среды в связи с усилением техногенного воздействия на природные ландшафты, особенно близи урбанизированных территорий. Исследования озерных отложений позволяют получать интегрированные по водосборной площади геохимические данных, причем более высокие концентрации примесных компонентов в озерных осадках, в ряде случаев упрощают аналитические методы и определяют большую надежность результатов по сравнению с пробами почв, воды и биологическими образцами (Усенков, 2007). Осадочные последовательности озер позволяет также анализировать динамику природно-техногенных изменений местного и регионального уровня.

В пределах Шатурского района расположено около 50 озер общей площадью 58 км2, сосредоточенных в нескольких группах: Шатурской (12 озер), Туголесской (11), Клепиков-ской (15), Бардуковской (7), Радовицкой (9). В настоящее время район испытывает сильную техногенную геохимическую нагрузку в форме промышленных выбросов (ГРЭС-5 в г. Шатура, химкомбинат в г.Рошаль и др.), сброса сточных вод, складирования промышленных и бытовых отходов, вредных атмосферных выбросов при лесоторфяных пожарах, загрязнения поверхностных вод и т.п.

В современных геохимических исследованиях отмечается, что, чем меньше площадь равнинного озера, его удельный водосбор и глубина, тем более отчетливо проявляются связи между составом донных осадков и литолого-геохимическими особенностями территории (Даувальтер, 2000; Страховеико, 2011). Хорошая выраженность таких индикационных свя-

зей для малых слабопроточных озер в Шатурском районе, обосновывают выбор их донных осадков в качестве перспективного объекта исследования.

Цель работы. Выявление основных закономерностей строения лимногенных четвертичных комплексов Шатурской Мещеры (ШМ) и формирования их литолого-геохимических особенностей в процессе седиментогенеза.

Задачи исследования:

1.Ha базе анализа стратиграфии, литолого-фациальной структуры и геоморфологических позиций четвертичных комплексов района проследить основные тенденции в эволюции озерного осадконакопления как отражении геологических и климатических процессов в плейстоцене и голоцене.

2.Изучить условия залегания донных отложений озер и установить основные закономерности формирования их литологического состава и геохимических особенностей на современном этапе седиментогенеза.

3.Исследовать корреляционные зависимости между концентрациями микро- и макроэлементов, гранулометрическими и другими физическими характеристиками современных озерных отложений для решения вопроса о механизмах поступления и накопления осадочных компонентов.

4.Диагностировать загрязнение литологических разностей озерных осадков тяжелыми металлами и другими микроэлементными компонентами.

5.Разработатъ методологическую основу изучения озерных отложений в качестве индикаторов геохимического состояния окружающих ландшафтов Шатурского района.

Научная новизна:

1.Установлены общие этапы эволюции озерных систем и развития осадконакопления при формировании комплексов ложбинных понижениях ШМ в московско-микулинском и вал-дайско-голоценовом климатических циклах. 2.Обоснованы палеогеографические причины различной выраженности позднеплейстоцен-голоценового цикла озерного осадконакопления в долинно-зандровых равнинах Мещерской низменности и показаны их современные следствия.

3.На базе аналитических данных выявлены геохимические особенности литологических разностей современных озерных осадков ШМ.

4.В результате литолого-геохимических исследований донных осадков озер ШМ впервые выделены основные геохимические ассоциации элементов, как унаследованные от поздне-плейстоценовой морфолитогенной основы, так и сформированные на современном этапе осадконакопления под действием природно-техногенных факторов (биоаккумуляция микроэлементов, выпадение техногенной пыли, лесоторфяные пожары).

5.Предложен подход к оценке геоэкологической ситуации ландшафтов зандровых равнин.

Методы исследования.

Проводилась систематизация научных, фондовых и картографических материалов по четвертичной геологии, стратиграфии и геоморфологии Мещерской низменности, а также палеогеографически сопоставимых с ней регионов. В процессе исследования использовались следующие методы: литолого-геохимический, геоморфологический, статистический, геоинформационный, системно-аналитический, сравнительно-географический и др. Анализировались данные исследований геохимического фона в почвах и четвертичных отложениях района Компьютерная обработка данных проводилась на кафедре геоэкологии РУДН с использованием специализированного программного обеспечения - Statistica, MS Excel, Corel DRAW.

Для сбора фактической информации в ходе полевых исследований автором с глубин первых метров проведен отбор проб донных осадков озер Шатурской и Туголесской группы. Лабораторная подготовка, литологические и геохимические исследования образцов выполнены на Геологическом факультете МГУ. Методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии определено валовое содержание 28 элементов (532 анализа), включая макроэлементы: Si, Al, С, Fe, К (>1 %); Са, Mg, Ti, Р (0,1-1 %) и элементы-примеси: S, Ва, Мп (< 0,1%); Sr. Zn, Cr, Pb, V, Rb, Си, Ni, As, Co (< 1-1СГ %); Sc. Sn, Cs (<11(Г%); Mo, Hg, Cd (менее 11(Г5 %).

Практическая значимость работы. Полученные результаты вносят дополнения в вопросы динамики лимногенеза и эволюции озер перигляциальных территорий зандрового типа в плейстоцене. Выполненные исследования также расширяют базу аналитической информации по геохимии компонентов природной среды ШМ. С учетом особенностей техногенной геохимической эмиссии установлены приоритетные микроэлементные загрязняющие компоненты и их соотношения. Выявлены устойчивые корреляционные связи концентраций ряда тяжелых металлов (Си, 2п, С<1, Со, Мп), позволяющие проводить комплексные оценки уровней загрязнения донных отложений по содержанию 1-2 элементов геохимической группы. Результаты исследования перспективны при геохимическом мониторинге ландшафтов Мещеры.

Защищаемые положения:

1.Активность позднеплейстоцен-голоценового цикла озерного седиментогенеза в Шатурском районе по сравнению с другими районами подмосковной Мещеры во многом обусловлена лимногенезом при повторном обводнении Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока из-за разлива долин Оки и Клязьмы в валдайскую ледниковую эпоху. Широкое распространение здесь остаточных озер в современном межледниковье стало следствием снижения дренажа и заболачивания ранневалдайского уровня зандровой равнины в условиях слабого развития ее речной сети.

2.В донных отложениях Шатурских озер (супеси, суглинки, илы и сапропели) установлена преобладающая геохимическая ассоциация преимущественно халько- и сидерофильных транзитных элементов (Ре,М&Мп,2п№,Си,Со,Сс[) с признаки аномальной концентрации микроэлементов, связанных с тонкодисперсной и органической компонентой осадка, и менее интенсивная генетическая группа малоподвижных литоф ильных элементов (А1. П.К.Ва.Сг, У.ЯЬ.Зс), приуроченных к терригенной компоненте осадков, унаследованной от средне-верхнеплейстоценовых отложений.

3.Исследования уровней накопления халько- и сидерофильных микроэлементов (Cu.Zn.Pb,Сй,АN1,Мо) в верхних горизонтах органоминеральных илов Шатурских, Барду-ковских и Клепиковских озер относительно фоновых донных осадков Туголесских и Радо-вицких озер служат основой современного и ретроспективного мониторинга ореолов рассеяния атмосферных аэрозолей от промышленных центров Шатурского района и сопредельных территорий Московской области

Апробация работы: Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях в РУДН (2012-2013 гг.), МГУ (2012 г.), МГОУ (2013 г.), Владимирском государственном университете (2011-2013 гг.), на 15-х Сергиевских чтениях (2013 г.). Кроме того, основные защищаемые положения работы представлены автором на заседаниях кафедры геоэкологии и кафедры месторождений полезных ископаемых и их разведки им. В.М. Крей-тера РУДН.

Личный вклад автора. Личный вклад диссертанта заключается в сборе, подготовке и систематизации фактической информации, в построении и сопоставлении геологических разрезов, составлении тематических карт (7 шт). В течение нескольких полевых сезонов проводилось детальное описание геологических обнажений, колонок донных осадков и береговых отложений с отбором их проб. Автором выполнена пробоподготовка, лабораторные исследования, статистическая обработка, анализ и интерпретация полученных результатов, на основе чего предложены методологические подходы к изучению процессов современного озерного седиментогенеза, в том числе в целях проведения регионального геохимического мониторинга.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 4 статьи в рецензируемых журналах, 1 - в тематическом сборнике, тезисы 8 докладов на научных конференциях. Так же подготовлено и издано учебное пособие, содержащее результаты научной работы автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и список литературы из 127 наименований. Объем работы 93 печатные страницы, включая 27 рисунков и 14 таблиц.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю, д.г.-м.н., проф. Рассказову A.A. за полезные рекомендации на всех этапах работы и за знания, полученные в фундаментальных областях наук о Земле. Автор благодарит доцента кафедры геоэкологии РУДН, к.г.-м.н. Огородникову E.H. за внимание к работе и ценные советы по теме диссертации. Автор признателен к.г.н. Колесникову С.Ф. за плодотворное обсуждение промежуточных этапов работы. Диссертант выражает благодарность сотрудникам кафедры геоэкологии РУДН, кафедры месторождений полезных ископаемых и их разведки им. В.М.Крейтера, а также кафедры инженерной и экологической геологии МГУ, и особенно доц., к.г-м.н. Барабошкиной Т.А.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. Общая характеристика района исследований

Мещерская низменность граничит с Смоленско-Московской возвышенностью на севере, Окско-Цнинским плато - на востоке, Окско-Донской равниной - на юге, Среднерусской возвышенностью - на юго-западе и западе. Ее границы точно проводят по двум цепям рек: 1) Пехорка - Москва - Ока - Гусь - Колпь и 2) Клязьма (примерно от г. Шелково) - Судогда.

ГЛАВА 2. Геологическое строение Мещерской низменности

Регион является крупнейшей аллювиально-зандровой низиной Восточно-Европейской равнины. Характерной особенностью данного типа низин является их приуроченность к внутриплатформенным тектоническим прогибам в перигляциальных зонах среднеплейсто-ценовых оледенений (московского и днепровского).

Мещерская низменность находится в юго-восточной части Московской синеклизы -центрального осадочного бассейна Русской плиты. В структурно-тектоническом плане территория соответствует заложенному в карбоне субмеридиональному Владимиро-Шиловскому прогибу, параллельно примыкающему к Окско-Цнинскому валу, проявляющемуся в рельефе в виде одноименного плато к востоку от Мещеры. Большая часть Мещеры располагается в пределах Тумско-Шатурского выступа Токмовского свода кристаллического фундамента, обрамленного субширотными авлакогенами - Подмосковным на севере и Па-челмским на юге (Костюченко, Соподипов, 1997).

Осадочный чехол в районе Мещеры мощностью 1,5-2 км залегает на архейском фундаменте и сложен рифейскими, вендскими, девонскими, карбоновыми, юрскими, меловыми, неогеновыми и четвертичными отложениями. Девонские доломиты, гипсы, глины и известняки залегают на глубинах 350-400 м. Они перекрыты каменноугольными отложениями мелководных морских, прибрежно-морских и континентальных фаций мощность 200-300 м, представленными известняками с прослоями мергелей и глин. Мезозойская толща сложена маломощными линзами нижнемеловых, сильно ожелезненных песков, залегающими на темно-серых до черных верхнеюрских глинах с прослоями песка.

На базе анализа геологического строения территория с учетом литературных данных, геологических карт и разрезов проведено сравнительное сопоставление поверхностей палеозойских и мезозойских пород с современным рельефом (рис. 1), позволившее проследить роль эрозионно-денадуционных и аккумулятивных процессов в геологическом развитии Мещеры на мезо-кайнозойском этапе.

В глубоком эрозионно-тектоническом расчленении кровли палеозойских отложений (гжельского и касимовского яруса верхнего карбона) отражается структура Владимиро-Шиловского прогиба, тальвег которого простирается на юг от г. Владимира до Клепиковских озер вдоль долины р. Бужы, далее — в юго-восточном направлении до пос. Шилово. Восточное крыло прогиба сопряжено с валообразным поднятием на водоразделе рек Гусь, Колпь и Судогда, отделенным от Окско-Цнинского вала Судогда-Колпинской депрессией.

В более пологом и широком западном крыле прогиба поверхность карбона существенно осложнена эрозионно-текгоническими ложбинами, депрессиями и островными поднятиями. Центральную позицию здесь занимает восточная часть Главной московской ложбины субширотного простирания (Апродов, Апродова, 1963). На территории Мещеры она проходит по

линии Раменское-Куровское-Шатура, далее расширяется и вливается в днище Владимиро-Шиловского прогиба в районе Клепиковских озер. Южный склон ложбины ограничен Егорьевским поднятием (1 на рис. 1), северный - поднятием на водоразделе рек Москвы и Клязьмы (2), расчлененным на отдельные островные массивы.

Рис. I. Схема соотношений поднятий кровли палеозойских (А) и мезозойских (В) пород с современными возвышенностями (С). Оконтурены изогипсами 100, 120 и 150 м соответственно. I-I1 -тальвеги: I - Владимиро-Шиловского прогиба; П - Главной московской ложбины. 1-8 - обозначения в тексте.

Морфология мезозойского чехла Мещеры, вследствие длительного континентального перерыва с верхнего карбона до конца средней юры существенно отличается от палеозойского структурного яруса, однако в значительной степени унаследована современным рельефом. Сравнение поверхностей палеозоя, мезозоя и современного рельефа показывает последовательное уменьшения глубины их расчленения (абс. выс. соответственно: 0-140, 60-160 и 100170 м), что отражает общее снижение интенсивности тектонических движений.

Отмечена также частичная перестройка эрозионной сети Мещеры и появление инверсированных структур, что указывает на дифференциацию вертикальных движений на мезо-кайнозойском этапе. Так, в результате относительного тектонического поднятия территории Окско-Клязьминского междуречья на Главную московскую ложбину, унаследованную нижнем течении р. Нерской, было наложено Зворково-Гребчихинское (3), Поджога-Кривандинское (4) и Черустинское (5) поднятия. По аналогичным причинам, над северной и центральной частью днища Владимиро-Шиловского прогиба возникли Уршельское (6) и Курловское (7) поднятия, преходящие в Высокореченский водораздел (8). Усиление в конце мезозое тенденции опускания южной части прогиба способствовало формированию Центральной депрессии Мещеры, заложению и последующему переуглублению долины Оки в среднем течении (Асеев, Веденская, 1962), о чем свидетельствует глубокий эрозионный врез (35-40 м) мезозойской поверхности, выполненный четвертичными отложениями.

Низинный рельеф Мещеры начал формироваться после морской регрессии и установления континентальных условий в конце мезозоя. До начала антропогена была заложена система сквозных эрозионных долин, относящихся к бассейну палео-Дона, которые в гляциаль-ные периоды плейстоцена становились областями экзарации и стока ледниковых вод. Мощность четвертичной толщи в области Мещерской низменности плавно увеличивается с 5-10 до 25-40 м при движении от северо-восточного к юго-западному краю региона, достигая 4050 м в переуглубленных частях долины пра-Оки. В этом же направлении увеличивается сглаживающее влияние четвертичной толщи на неровности коренного основания.

Следствием неотектонической активности Главной московской ложбины стало формирование линейно-вытянутой системы слабо выраженных понижений средних частей водоразделов и ложбин, подчеркнутых озерными группами (Шатурской, Туголесской и Клепи-ковской) и болотными массивами.

Состав, строение, особенности распространения и залегания четвертичных отложений в районе Мещерской низменности тесно связаны с историей морфогенеза земной поверхности, а также отражают мезо-кайнозойский этап тектонического развития региона. Характер четвертичных отложений Мещеры отвечает зональному распределению генетических типов четвертичных отложений на территории Восточно-Европейской платформы, обусловленному динамикой ледниковых, флювиальных и других экзогенных процессов.

Мещерская низменность от Окско-Донской равнины и Среднерусской возвышенности по комплексу геолого-геоморфологических признаков отличается сниженной мощностью четвертичных отложений, сглаженностью дочетвертичного рельефа, преобладанием площадей аллювиалыю-озерной аккумуляции, фрагментарным развитием собственно ледниковых отложений и отсутствием покровных суглинков, слабой эрозионной расчлененностью, хорошей сохранностью реликтовых мезо- и микроформ позднеледникового рельефа.

Таким образом, представленный геологический анализ, показывает, что повсеместность проявления обстановок озерного и аллювиального осадконакопления, способствовавших общему выравниванию рельефа Мещеры в четвертичное время, является следствием устойчивой тенденцией опускания Владимиро-Шиловского тектонического прогиба. Относительно более быстрое движение южной части тальвега этой структуры с конца мезозоя привело к формированию субширотной долины, унаследованной среднем течением пра-Оки, которая определяла базис эрозии ледниковых потоков и рек в плейстоцене. Палеогеографическим следствием тектонического режима региона является развитие в четвертичное время чередующих друг друга слабодренированных ни-валъных и гумидных ландшафтов со значительной ролью озер.

ГЛАВА 3. Формирование четвертичных отложений Шатурской Мещеры и динамика озерного седиментогенеза

На начальных этапах исследования четвертичных отложений Мещеры (1930-1940 гг.) было выявлено широкое развитие здесь древнеаллювиальных и древнеозерных осадков. Большое значение в становлении современных представлений о четвертичной палеогеографии Мещеры, а также ее аллювиально-зандровом и аллювиально-озерном морфогенезе имели работы И.П.Герасимова и К.К.Маркова (1939), Г.И.Горецкого (1958), А.А.Асеева (19501970 гг.), касающиеся общих и региональных вопросов формирования зандровых равнин в плейстоцене. В работах 1940-1970 гг. показано, что начиная с раннечетвертичного времени, в Мещере преобладали обстановки аккумуляции аллювиальных, озерных и флювиогляциаль-ных отложений, прерывающиеся кратковременными фазами размыва на рубежах ледниковых и межледниковых эпох. Современный этап озерного осадконакопления Мещеры затрагивается в классических трудах М.И.Нейштадта (1950-1980 гг.), изучавшего накопление сапропелевых отложений и болотообразование на территории бывшего СССР в голоцене.

Анализ геологических карт позволил составить схему районирования развития разновозрастных четвертичных отложений на территории Мещеры. Были выделены: моренные и флювиогляциальные комплексы днепровского и московского времени, перекрывающие водораздельные поднятия мезозойских отложений; озерно-аллювиальные комплексы ложбинных понижений московского и валдайского времени и аллювиальные комплексы долин современных рек, широко развитые в Южной Мещере (рис. 2).

На основе проведенного геолого-геоморфологического районирования Мещеры выявлена приуроченность большинства современных озер к ранневалдайскому уровню ложбин стока ледниковых вод, а также к обширной приокской аллювиальной равнине того же возраста. Широкое распространение ранневалдайских зандров характерно для Шатурской, Туголесско-Ялминской и Центральной ложбины (Центральная Мещера).

Подмосковная часть Центральной Мещеры или Шатурская Мещера включает долинно-зандровую равнину Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока; моренную и флю-виогляциальную равнину водораздела рек Поли, Цны и Ялмы (Поджога-Кривандинское поднятие); Поли и Бужи (Уршельское и Черустинское поднятие).

г - 1

Условные обозначения. 1-6 - четвертичные комплексы. Моренные, флювио- и лимноглядиальные: 1 - ран-не-среднеплейстоценовые (g,f,lgIcÜ7s,fII/w.s); 2 - среднеплейстоценовые (g,f,lgllms). Озерно-аллювиальные: 3 -среднеплейстоценовые (1,а311»и); 4 - позднеллейстоценовые (l,a2IIIv); 5 - голоценовые (l,aIV). Аллювиальные: 6

- позднеплейстоцен-голоценовые (ai+2IIIv, alV). 7 - границы ложбин стока; 8 - границы геоморфологических районов. Ложбины стока: А - Бисеровская, В - Нерская; С - Шатурская; D - Туголесско-Ялминская; F - Центральная. Геоморфологические районы (по Асееву, Веденской, 1962): I - Западная останцово-ложбинная М.; II

- Центральная низина М.; III - Восточная М; IV - Южная террасовая (Приокская) М. Озера (без пойменных): 1

- Бисерово; 2 - Орехово-Зуевские; 3 - Петушинские; 4 - Шатурские; 5 - Туголесские; 6 - Бакшеевские; 7 -Клепиковские; 8 - Великое; 9 - Радовицкие; 10 - Солотчинские; 11 - Исихра, Котлино.

Рис. 2. Схема четвертичных комплексов Мещерской низменности и их соотношение с субаэральными ложбинами стока и современными озерными системами.

Сохранности послеледниковых озерных систем валдайских зандров способствовала неразвитость их долинного комплекса. Для него характерно полное отсутствие вторых и фрагментарность первых террас, заложенных только в нижнем течении рек, тогда как речные долины московских зандров отличает наличие двух надпойменных террас валдайского возраста. Например, Нерская ложбина, не испытывавшая повторного обведения в позднем плейстоцене, была освоена в этот период долинным комплексом р. Нерской и, как следствие, практически полностью лишена озер.

Высокая озерность ранневалдайских зандров подчеркивает наличие генетической связи современного этапа осадконакопления с предшествующим ему периодом обводнения ложбин стока в позднем плейстоцене. При этом предпоследнее климатическое обводнение в московское время практически не отразилось на современной озерности, но четко контролирует развитие погребенных озерно-болотных комплексов микулинского межледниковья.

В пределах ШМ большинство озер располагается в Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбинах стока. Их котловины приурочены к понижениям, входящим в погребенную сеть эрозионных врезов позднемосковского возраста, сохранившихся в период валдайского осадконакопления. Обе ложбины стока простираются субмеридионально - от до-

лины р. Клязьмы на юг, разделяясь Мипгеронским и Поджога-Кривандинским поднятием. Шатурская ложбина вливается на юге в Приокскую равнину, а Туголесско-Ялминская на юго-востоке переходит в Центральную ложбину стока.

Шатурская озерная группа состоит из озер Святое, Муромское, Белое, Черное-Торбеевское, Черное-Спасское глубиной 3-7 м. Центральная часть Туголесско-Ялминской ложбины занята Туголесской озерной группой, включающей 8 озер средней глубиной 4 м (Великое, Свиношное, Карасово, Воймежное и др.) и оз. Глубокое (11 м). В зоне пресечения Центральной ложбины с долиной реки Пры образовалась система проточных водоемов типа разливов рек (Клепиковские озера). Также в Бардуковской и Клепиковской группах отмечены глубокие (35-40 м) карстово-суффозионные озера (Белое-Бардуковское, Белое-Дубасовское), отличающиеся воронкообразной формой ложа и слабым заиливанием дна. На дне озер развиты осадки мощностью 1-7 м, подстилаемые отложения озерного генезиса валдайского и (или) микулинского горизонта общей мощностью 7-15 м.

Литолого-стратиграфический анализ и сопоставление разрезов донных отложений озер ШМ позволили восстановить общую картину развития осадконакопления в плей-стоцен-голоценовом цикле.

Голоценовые донные осадки озер ШМ представлены чаще салропелями, реже тонкозернистыми песками или иловатыми суглинками с растительными остатками, подстилаемыми озерным илом (0,1-0,5 м), накопившимся в прохладном и сухом климате раннего голоцена (пребореал). Формирование сапропелевой толщи началось в более теплом, но все еще сухом бореальном периоде голоцена с отложения кремнистых и глинистых разностей, и продолжилось до настоящего времени накоплением органических сапропелей, неоднородных по соотношению автохтонной (водорослевой) и аллохтонной (гумусированной) органики и уровню карбонатности. Широкое распространение озерных суглинков и илов под современными торфяниками ШМ свидетельствует о значительно большей озерности территории в раннем голоцене. В процессе заболачивания древние озера дали начало таким крупным торфяникам, как Шатурский, Петровско-Кобелевский, Туголесский и Бакшеевский.

Таким образом, состав донных отложений современных озер отражает климатически обусловленную смену обстановок осадконакопления на рубеже плейстоцена и голоцена. Анализ лиголого-стратиграфических данных показывает, что в валдайское время в озерных обстановках накапливался преимущественно терригенный песчано-глинистый материал, практически лишенный органики. Для голоцена характерно формирование органомине-ральных осадков - заторфованных супесей, сапропелей, илов (или гитий), что отражает резкое снижение интенсивности терригенного сноса в условиях малых уклонов водосборов и одновременный рост биопродуктивности водоемов, вследствие потепления климата. Начиная со среднего голоцена, в озерах Шатурского региона накапливаются преимущественно органические сапропели (Штин, 2005). Формирование гумусированных и торфянистых сапропелей на современном этапе связано с поступлением в водоемы болотных вод приозерных торфяников.

Совместный анализ геологических, топографических и геоморфологических карт (карта четвертичных отложений, московская серия, лист N-37-IV, 1980; геологической карты четвертичных отложений Московской области, 1998) с использованием данных буровых скважин, позволил составить геолого-геоморфологическую схему строения ШМ и субширотный разрез четвертичных отложений (рис. 3). Стратиграфические подразделения выделялись с учетом принятой в настоящее время региональной шкалой неоплейстоцена и голоцена центра Восточно-Европейской платформы (Постановления МСК..., 2002).

В строении четвертичной толщи Мещерской низменности были выделены сопряженные комплексы водораздельных поднятий и ложбинных понижений. Первые сложены преимущественно моренными и флювиогляциальными отложениями донского горизонта. Вторые представлены окско-днепровским, днепровскими, московскими, ми-кулинскими, валдайскими и голоценовыми водно-ледниковыми, аллювиально-озерными, озерными и аллювиальными отложениями. В отличие от отложений ледниковых эпох, межледниковые горизонты плейстоцена в целом маломощны и фрагментарны.

Условные обозначения. А. Характеристика отложений. 1 - Болотные и озерно-болотные. Торф, суглинки, сапропели, илы, до 10 м; 2 - Аллювиальные. Мончаловский-остагиковский горизонт: 3 -Аллювиальные. Пески, супеси, до 16 м Калининский гор.: 4 — Аллювиальные. Пески, супеси, суглинки, до 8 м.; 5 - Аллювиально-озерные. Супеси, суглинки, до 10 м. Микулинский гор.: 6* -Озерные. Суглинки, супеси, гитии, 3-10 м. Московский гор.: 7 - Аллювиально-озерные. Пески, супеси, суглинки, до 10 м.; 8 - Аллювиально-флювиогляциальные. Пески, супеси, галька, до 12 м. Днепровский-московский гор.: 9* - Аллювиальные, водно-ледниковые и озерные. Пески с прослоями суглинков, глин и алевритов, до 15 м. Окско-днепровский гор.: 10* - Аллювиальные и озерные. Пески с прослоями суглинков, глин и алевритов. Донской гор.: 11 - Флювиогляциальные (подморенные и надморен-ные). Пески, супеси, 12-15 м.; 12 - Ледниковые (основная морена). Суглинки с гравием, галькой и валунами, 15-20 м. 13 - Нижний мел. Пески и алевриты с прослоями глины; 14 - Верхняя юра. Черные и серые глины с конкрециями фосфоритов. 15 - Верхний карбон. Доломиты, известняки, переслаивающиеся с глинами и мергелями. * - только на разрезе.

I-VI - Геоморфологические позиции. Аллювиальные долины: I - Голоценовые поймы; II - Средне-поздневалдайские I н/п террасы. III - Днища ложбин стока. Ранневалдайские, аллювиально-озерные и аллювиальные (II н/п террасы). Склоны ложбин стока: IV — Позднемосковские аллювиально-озерные (III н/п уровень); V - Раннемосковские аллювиально-флювиогляциальные (IV н/п уровень). VI- Равнины водоразделов. Днепровские морено-флювиогляциальные (V н/п уровень). В. Типы расчленения и формы рельефа: 1 — пологоволнистое; 2 — пологоувалистое и увалистое; 3 — холмистое, 4 — останцово-холмистое; 5 - песчаные микроформы, 6 — ложбинообразные понижения; 7 - эрозионные уступы.

Рис. 3. Геолого-геоморфологическая схема четвертичных отложений Шатурской Мещеры.

Комплексы водораздельных поднятий ШМ (Егорьевского, Поджога-Кривандинского, Черустинского) представлены моренными валунными суглинками, залегающими на коренных или подморенных донских отложениях. Резкие колебания мощности, опесчаненность и преобладание в составе донской морены обломков местных пород, показывают, что ее накопление происходило крайне неравномерно и в условиях большой обводненности территории. На ранней стадии деградации Донского ледника в небольших приледниковых озерах начали накапливаться ленточные глины, затем при таянии полей материкового льда в условиях дезорганизации стока откладывались водно-ледниковые отложения (2-5 м), перекрывшие водоразделы за исключением уровней выше 160 м. Они представлены в основном хорошо сортированным мелкозернистым песком фации безрусловых потоков.

Для восстановления картины эволюции озерных бассейнов ШМ в плейстоцене проведен анализ распространения и условий залегания генетических типов четвертичных отложений, показавший, что развитие озер было связано с морфогенезом двух (из шести) геолого-геоморфологических комплексов ШМ — аллюеиалъно-озерной равнины позд-немосковского (III н/п терраса, 120-135 м) и ранневалдайского времени (II н/п терраса, 115-125 м).

Ранние четвертичные отложения озерного происхождения сформировались в лихвин-ском межледниковье при осадконакоплении в глубокой эрозионной сети притоков пра-Оки, образовавшейся при поднятии территории Мещеры. Лихвинские озерные и аллювиальные отложения установлены в виде врезанной в мезозойскую толщу сети погребенных долин, развитой как среди современных понижений рельефа, так и на водораздельных участках.

На базе анализа пространственно-временной дифференциации четвертичных осадочных образований ложбинных понижений ШМ, с учетом их литолого-фациальных особенностей, предложена палеогеографическая схема формирования озерных систем и их эволюции в двух последних ледниково-межледниковых циклах (рис. 4).

Данная схема основана на представлении о синхронности средне- верхнеплейстоценовых трансгрессии бассейнов ложбинным понижений ШМ и периодов повышения транзитного стока талых вод по гидросети, обрамляющей Мещерскую низменность. Таким образом, образование бассейнов являлось результатом обводнением ложбинных понижений в московское и валдайское время, а развитие в них осадконакопления отражает постепенное снижение гидрологической связи этих бассейнов с транзитной гидросетью. Одним из механизмов перехода бассейнов к слабопроточному режиму в течение ледниковых эпох являлось формирование в долине Клязьмы прирусловых аллювиальных плотин, перегораживающих устья ложбин стока. Последующая деградация и распад отделенных бассейнов на компактные озерные системы связаны с постепенным снижением местного базиса эрозии и углублением эрозионной сети, достигавших максимума в началах межледниковый, а также с развитием процессов заболачивания по мере потепления климата.

Вследствие высокого положения местного базиса эрозии в ледниковые эпохи (уровни пра-Оки и пра-Клязьмы), воздействие водных потоков слабо затрагивало ранее накопленные отложения днищ ложбин стока и выражалось в основном в боковой эрозии их склонов. Следствием проявления эрозионно-аккумулятивных циклов стало формированию трех аллю-виально-озерных цокольных террас, а также первой надпойменной аллювиальной террасы, являющейся преимущественно аккумулятивной.

Литолого-фациальные особенности озерно-аллювиальных отложений долинных занд-ров подтверждают представленную схему эволюции озерных бассейнов. В частности, наличие отрицательного высотного градиента глинистости одновозрастных ледниковых горизонтов и смена супесчаных на суглинистые отложения вверх по колонкам субаквальных отложений, показывают, что по мере регрессии бассейнов вследствие снижения притока ледниковых вод от транзитной гидросети, уменьшалась динамичность водной среды осадконакопления.

Условные обозначения. А - возраст и генезис отложений: 1 - голоценовые озерные и аллювиальные; 2 - средне-верхневалдайские аллювиальные; 3 - нижневалдайские озерно-аллювиальные; 4 - микулинские озерно-болотные; S - верхнемосковские аллювиально-озерные; 6 - нижнемосковские флювиогляциальные; 7 -лихвинские аллювиальные и озерные; 8 - донские моренные и флювиогляциальные; 9 - мезозойские морские. В — литологический состав отложений: 1 - суглинки с валунами и галькой: 2 - крупнозернистые пески, гравий и галька; 3 - пески и супеси; 4 - суглинки; 5 - сапропели, илы, торф. С - озерные бассейны.

I-VII - последовательные стадии развития бассейнов: I - моренная и озерно-аллювиальная равнина лихвинского межледниковья; II - проточный перигляцнальный бассейн, подпруженный ледником максимальной стадии московского оледенения; III - позднемосковский бассейн затрудненного стока; IV - остаточные озера микулинского межледниковья; V - ранневалдайский бассейн затрудненного стока после трансгрессии клязьминских разливов; VI - фрагментация и спуск бассейнов в поздневапдайское время; VII - озерно-аллювиальная заболоченная равнина современного межледниковья.

Рис. 4. Палеогеографическая схема возникновения и развития озерных бассейнов ложбинных понижений Шатурской Мещеры в связи с формированием их четвертичных комплексов.

Анализ высот тыловых швов террасированных склонов ложбин стока, маркирующих уровни московского и валдайского климатического обводнения, показывает, что их градиенты значительно ниже падений высот пойм и современных рек, что подтверждает озерное происхождение данных форм рельефа. Поскольку тыловые швы совпадают со стратиграфическими границами, их плановые очертания приблизительно определялись по геологическим картам и уточнялись путем анализа высотных градиентов рельефа, а высотная привязка проводилась по топографическим картам и моделям рельефа. Результаты анализ показали, что наиболее стабильным уровневым режимом (139-142 м) отличался раннемос-ковский бассейн ШМ. Длительное постоянство его уровня указывает на наличие в южной части Шатурской ложбины порога стока, через который избыток вод из подпруженной ледником долины Клязьмы сбрасывался в юго-восточном направлении в долину Оки.

Характер распространения московских озерно-аллювиальных отложений показывает, что вследствие разлива главных обрамляющих долин Мещеры произошло сквозное затопление Центральной, Туголесско-Ялминской, Шатурской и Нерской ложбин стока, пропускавших транзитный сток талых вод. В ходе переотложения, сортировки и аккумуляции механических взвесей в ложбинах сформировалась однородная толща косослоистых тонко- и мелкозернистых песков мощностью 3-10 м. После сокращения водности ледниковых потоков в позднемосковское время, в краевых участках ложбин, подпруженных приру-

еловым аллювием еще длительное время сохранялись обширные мелководные озерные бассейны, в которых накапливались осадки застойного типа. Углубление эрозионной сети Мещеры в первой половине микулинского межледниковья способствовало спуску послеледниковых озер. Дальнейшее образование вторичных озер и торфяников связано с периодом накопления аллювия в днищах ложбин стока. Озерные отложения этого времени представлены тяжелыми суглинками с растительными остатками, пылеватыми супесями с включениями вивианита, озерными мергелями и погребенным торфом.

Особенности размещения на территории Мещерской низменности ранневалдай-ских озерно-аллювиальных отложений (рис. 2) показывают, что в позднем плейстоцене клязьминские трансгрессии не соединялись с окскими, а обводнение субмеридиональных ложбин имело несквозной характер. Дополнительным признаком раздельности клязьминских и окских систем бассейнов является резкий перепад абсолютных высот тылового шва ранневалдайского уровня Шатурской ложбины с 130-136 м до 121-125 м при переходе через водораздел рек Поли и Цны. Таким образом, в гигроскопические стадии валдайского оледенения, граница которого проходила севернее предыдущего покровного оледенения на 200-300 км, долинный зандры Центральной Мещеры испытывали повторное, но более слабое воздействие ледниковых потоков. В валдайское время появились подпрудные краевые бассейны в устьевых зонах ложбин стока, кроме того, вследствие аккумуляции аллювия в долинах малых рек, началась образование озер внутренних участков зандров, не затапливаемых в период максимальной трансгрессии.

Интерстадиальная фаза валдайского оледенения характеризовалась понижением базиса эрозии, фиксируемым уровнем эрозионного вреза Клязьмы, заполненного на этапе аккумуляции в поздневалдайское время аллювием первой террасы. В период спуска и фрагментации больших озер (среденевалдайское время) формировалась толща, состоящая из сложно взаимосвязанных фаций озер и временных протоков, представленных тонко- и мелкозернистым песком с прослоями серого суглинка и супеси.

Как показывает анализ распространения древнеозерных отложений, результатом валдайского обводнения Мещеры стало образование системы бассейнов в районе Клепиковских, Шатурских, Туголееских и Радовицких озер, Бисерова озера, Бакшеевского болота (восточнее г. Рошаль), верховий рек Бужы (сохранилось оз. Исихра, Котлино), Цны и Ялмы. В отличие от исчезнувших краевых бассейнов, остаточные озера внутренних областей зандров частично сохранились до настоящего времени.

Последнее врезание долин малых рек Мещеры в раннем голоцене привело к усилению донной эрозии, что способствовало понижению уровня озер. В частности, на это указывает наличие размыва валдайской толщи в котловинах Клепиковских озер. Дальнейшая деградация озер на фоне снижения эрозионной активности, связана, главным образом, с процессами биогенного осадконакопления и болотообразования.

Таким образом, движущим механизмом лимногенеза в четвертичной истории Мещеры было обводнение субмеридиональных ложбин стока в ледниковые эпохи вследствие разлива долин Клязьмы, Москвы и Оки. Сравнение условий формирования и особенностей размещения четвертичных озерных комплексов зандровых равнин подмосковной Мещеры показывает, что широкое развитие в ШМ поверхностей аллювиально-озерной аккумуляции, а также приуроченных к ним современных остаточных озер и болотные массивов, является следствием ранневалдайского обводнения ложбин стока этого района. Вышеизложенное позволяет сформулировать 1-е защищаемое положение: «Активность позднеплейсто-цен-голоценового цикла озерного седиментогенеза в Шатурском районе в сравнении с другими районами подмосковной Мещеры во многом обусловлена лимногенезом при повторном обводнении Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока из-за разлива долин Оки и Клязьмы в валдайскую ледниковую эпоху. Широкое распространение здесь остаточных озер в современном межледниковье стало следствием снижения дренажа и заболачивания ранневалдайского уровня зандровой равнины в условиях слабого развития ее речной сети».

ГЛАВА 4. Лотолого-геохимические особенности современных озерных осадков Шатурской Мещеры

В ходе полевых работ отобраны пробы озерных осадков со дна и с береговой зоны оз. Святое Шатурской группы и озера Воймежное Туголесской группы. В связи с мелководно-стью озер ШМ отбор проб проводился со льда с помощью штангового дночерпателя типа ГР-91. Длина металлической штанги (4 метра) позволяла погружать заборный ковш в мягкие осадки на глубину до 2 метров.

Автором была осуществлена пробоподготовка и выполнен комплекс аналитических исследований. Методом высушивания в сушильном шкафу до постоянной массы измерялась гигроскопическая влажность хрунта, необходимая для пересчета результатов количественных измерений на массу абсолютно сухой навески. Определение гранулометрического состава проб выполнено ареометрическим методом (ГОСТ 12536-79), который основан на интерпретации изменения плотности суспензии по мере осаждения частиц (менее 0,1 мм) с использованием закона Стокса. Суммарное содержание органического вещества (Сорг) определялось оксидимитрическим методом («мокрым сжиганием») по ГОСТ 23740-79.

Валовое содержание микро- и макроэлементов измерялось рентгенофлюоресцентным методом на приборе «Спектроскан МАХ SV». Метод основан на регистрации спектров вторичного рентгеновского излучения, которые не зависят от химической формы элементов, что в сочетании с низким пределом обнаружения (до 10~5 %) обеспечивает многоэлементность валового анализа. Тарировка прибора выполнена по 4 сериям государственных стандартных образцов почв. Для контроля воспроизводимости результатов проводились парные анализы проб, расхождения данных по которым не превысили 15 %.

В исследованных незаторфованных минеральных осадках терригенного происхождения количество глинистых частиц (фракция <0,005 мм) варьирует от 5 до 14 %. В соответствии с этим показателем, осадки можно классифицировать как супесь легкую, супесь тяжелую и суглинок легкий (рис. 5). В песчано-пылеватой фракции всех проб преобладает средне-мелкозернистый песок (фракции 0,5-0,25 мм - 45-65 %). Для проб супеси и суглинка характерны следующие интервалы физические свойства: плотность частиц - 2,6-2,7 г/см3, гигроскопическая влажность-0,1-1,3 %, Сорг-0,1-0,5 %. Содержание SiO?-86-94 %,А1/)з-3-6%, Fe2Oj- 0,1-1,5 %, СаО-0,1-1,3 %, К ¡О - 0,8-1,4 %, Р2О, - 0,01-0,1%, S-0,06-0,07 %.

Илистые отложения в литоральной зоне оз. Святое содержат до 8% органического вещества и более 30 % глинистых частиц. С глубиной глинистый ил постепенно сменяется тяжелым суглинком, переходящим ниже в тяжелую супесь (Сорг=1%, С<о.оо5 мм=8 %). Для проб глинистого ила характерна плотность частиц - 1,8-2,1 г/см3, гигроскопическая влажность - 16-17 %. Содержание Si02- 80-88 %, AI2O3 - 5-7 %, FeJ)3 - 1,6-3 %, СаО - 1-2 %, К2О - 1-1,2 %, P&s - 0,3-0,4%, S- 0,04-0,06 %.

В ходе полевых наблюдений установлено, что сапропели Шатурских озер по величине зольности относятся к малозольным (зольность до 30% на сухое вещество), по происхождению биогенного геля - к смешанно-водорослевым и торфянистым.

Таким образом, в изученных озерах можно выделить несколько типов осадков: терригенные (супеси и суглинки), органогенные (водорослево-торфянистые сапропели) и смешенные (глинистые илы).

Анализ соотношений основных макроэлементных компонентов осадков показывает, что рассматриваемые литологические типы образуют практически непересекающиеся поля на трехкомпонентной диаграмме (S1O2+ TiOi)-(Al£)3+FejO3y-C0VT (рис. 6). Для всех типов минеральных осадков озерного происхождения характерно правильное для осадочных пород соотношение петрогенных окислов: SiC>2>A ¡¡О 3>Fe20i. При этом в ряду супеси—»суглинки—»глинистые илы растет относительное содержание полуторных оксидов алюминия и железа, что свидетельствует об увеличении количества глинистых минералов (преимущественно гидрослюд) и других продуктов химического выветривания по мере роста дисперсности осадков.

супесь легкая

ил глинистый

д. Митинская

оз. Святое

пос.Керва

¿суглинок легкии

40т-Ш§-

ГРЭС

г.Шатура

0.5 0.25 0.1 0.05 0.01 0.005 0

оз. /Луромское

■/м 24J 1,5 1,5 - глубина " отбора

| j нл глинистый

суглинок за торфованный суглинок средний

| | сапропель зелено-коричневый сапропель коричневый

сапропель

с древесными остатками

оз. Воймежное

почва «1 ТОЧКИ отбора Проб

Рис. 5. Цитологическое строение и распределение донных осадков озер Святое и Вой-

SiO?+TiO

Рис. 6. Диаграмма соотношений главных макро-элементных компонентов в литологических типах осадков Шатурских озер.

Для уточнения условий формирования терри-генной компоненты осадков определен ряд литогео-химических индексов, широко используемых в литологии при изучении генезиса осадочных пород (Мае- 0.25 _

лов, 2005). Алюмокремниевый модуль (AI2O3/S1O2) в А^Оз+РегОз минеральных осадках варьирует от 0,03 до 0,04, что типично для обломочных пород с преобладанием кремнезема и обедненных продуктами гидролиза. Титановый модуль осадков (T1OJAIJD3) является высоким для континентальных фаций (0,063-0,077), что указывает на зрелость обломочной компоненты отложений и высокую степень механической сортировки терригенного материала. По величание железного модуля ((Fe20s+Mn0)/(Al203+Ti02)) осадки относятся к низко- и нормально-железистым (0,1-0,4).

Типы осадков: □ - почва супесь

■ суглинки

■ ил глинистый

0,75

Значения геохимических индексов Ni/Co и V/Cr равны соответственно 0,5 и 0,2-0,6, что меньше 1 и отвечает окислительным условиям седиментогенеза и хорошо аэрируемому бассейну.

Цитологические типы донных осадков статистически значимо различаются не только по содержаниям макроэлементов, но и по своему микроэлементному составу (рис. 7). Как следует из описания стратиграфии донных отложений озер Святое и Воймежное, смена в их сапропелей на минеральные разности, относящиеся к валдайскому надгоризонту, происходит довольно резко. Стратификация литологического состава и структуры донных отложений

Рис.7. Валовое содержание микроэлементов в литологиче-ских разностях осадков оз. Святое.

В озерах гумидных районов с органогенным типом осадконакопления основная роль в концентрировании микроэлементов принадлежит не терригенной поставке, а физико-химическим и биологическим процессам, в особенности биоседиментации из водной среды подвижных биофильных (P,Mn,Fe,Co,Mo) и халькофильных (Hg,Cd,Pb,Cu,As,Zn,Sb) элементов (Леонова, 2009). В связи с этим основным фактором избыточного накопления микроэлементов в донных осадках Шатурских озер следует рассматривать физико-химические и биогеохимические процессы.

Для выяснения характера распространения химических элементов в осадках озер применялся квалиметрический подход, заключающийся в количественном сравнении многоэлементного состава исследуемого объекта с кларковыми и фоновыми геохимическими данными. Уровни концентрации микроэлементов донных осадков оценивались с помощью коэффициента обогащения (EF - Enrichment Factor), рассчитанного как отношение содержаний элемента в изучаемом донном осадке и глинистом сланце (как модели древних процессов органогенного осадконакопления), нормированных по Sc: EF=(C,/Csc)o6pma/(C,/Csc)c«a,m,- Выбранная методика предварительного нормирования концентраций по малоподвижным элементам (Справочник по геохимии, 1990), нейтральным к биологическим и физико-химическим процессам при седиментогенезе, позволила анализировать чистый вклад «не-терригенных» факторов в распределение микроэлементов. Анализ коэффициентов EF (рис. 8), показал, что в исследуемой среде происходит рассеяние основных петрогенных элементов (кроме Si) и накопление As,Hg,Pb,Cr,Cs во всех типах осадков, a Zn,Cu,Ni,Cd,Co -только в илистых отложениях.

С целью выявления геохимических аномалий примесных элементов в озерных осадках вычислены коэффициенты концентрации относительно регионального фонового содержания (Кс). В качестве фоновых использовались данные по содержанию микроэлементов в дерново-подзолистых почвах Западномещерского почвенного района (Волгин, 2012). Коэффициент концентрации, характеризующий интенсивность накопления элемента, вычислялся согласно формуле: Кс=С/Сф (где С, - фактическое содержание /-го компонента в осадке, мг/кг; Q, -фоновое содержание /-го химического элемента в геосреде, мг/кг), по аналогии с методикой эколого-геохимических исследований природных сред (Сает, Ревич, 1990). Также рассчитан суммарный показатель загрязнения отложений, характеризующий эффект воздействия группы химических элементов: Zc= Ка+... +Кс„ - (п-1), где п - количество учтенных элементов.

хорошо заметна по содержаниям макро- и микроэлементов.

0,01

I I Супесчаная почва I I С упесь тяжелая ГЦ Суглинок легкой ■ Ил глннпстып

0,01

Рис. 8. Уровни концентрации микроэлементов в литологических разностях озерных осадков относительно среднемировых кларков глинистых сланцев (А) и фоновых почв исследуемого района (В). ЕБ - коэффициент обогащения; Кс- коэффициент концентрации.

Ниже приведены выделенные геохимические ассоциации (табл.1) для литологических разностей осадков в районе оз. Святое, представляющие собой ряды элементов, расположенных в порядке уменьшения Кс.

Таблица 1

Интенсивность накопления химических элементов в осадках озера Святое относительно фоновых дерново-подзолистых почв

Коэффициент концентрации (Кс) 15-5 5-2 2-1 1-0,5

.Цитологический тип

/1у/; О/б

Со4.

- (Си,2п)}1-ЛЪ

'4,1

СГ,.!-РЬ,.4-У,

Сгг РЬ^Щ^Ва V),

че,.<г- гь,,5-сгиг- Сои

я,Со,гп $,Ва,СЛ,2п

А$7

РЬ,.Г<Щ,СГ),,4-01,^11,,;

8,Ва,Си,Со,У

Ил глинистый Суглинки Супеси

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Выявлена тенденция аккумуляции мышьяка во всех типах осадков, а также кадмия, кобальта, цинка, меди, никеля в иле и заторфованных озерных суглинках. Хром накапливается без выраженной дифференциации по типам осадков. Ртуть слабо аккумулируется в минеральных осадках и почвах, но рассеивается в илистых отложениях. Свинец сильнее накапливается в почвах. Интегральное загрязнение осадков увеличивается от супесей и суглинков к заторфованным суглинкам и достигает максимума для глинистых илов (£с= 100). Поверхностные горизонты почв, наиболее сходные по гранулометрическому составу с озерными супесями, отличаются от последних большими концентрациями А$,Сс1,РЬ,1п при сходных содержаниях и Сг.

Анализируемые элементы (27), за исключением Р, РЬ образуют друг с другом статистически значимые связи (р < 0,05). Преобладание положительных коэффициентов в корреляционной матрице свидетельствует о совместной концентрации 24 элементов в озерных осадках, т.е. содержание одних элементов прямо пропорционально концентрации других. Вместе с тем, количество значимых связей (104 единицы при р < 0,05) составляет всего около 30 % от возможного числа парных связей (Ы=п(п-1)/2=Ъ5\, п=27 - количество элементов), что говорит о пониженном уровне единства рассматриваемых элементов в геосистеме.

С целью выявления природно-техногенных геохимических ассоциаций проведен факторный анализ валового содержания 19 элементов со значимыми корреляционными связями. Интерпретация характера рассеяния переменных в двухмерном поле факторных нагрузок позволила выделить две генетические группы элементов (рис. 9) и несколько тесных подгрупп с высокими положительными коэффициентами корреляции. Сравнительная характеристика выделенных ассоциаций представлена в таблице 2.

Условные обозначения: Геохимические классы элементов (по Гольдшмидту): 1 - лито-фильные, 2 - сидерофильные; 3 - халькофиль-ные. Параметры литологического состава: Г -глинистость (содержание фракции <0,005 мм). ОВ - содержание органического вещества. П -песчанистость (содержание частиц размером 0,25-0,5 мм). На диаграмме выделены два поля (I и II), соответствующие геохимическим ассоциациям.

Рис. 9. Факторная структура содержания макро- и микроэлементов в разнотипных донных осадках Шатурских озер.

Д1в2*3 Фактор 1

Таблица 2

Сравнительная характеристика геохимических ассоциации в осадках Шатурских озер

Поэлементный состав ассоциации (в порядке уменьшения концентрации) Fe.CaMgMn.ZnMСи,Со.Сс/ А1.ПК,Ва,СгХ Rb.Sc

Геохимические особенности компонентов Транзитные, биофильные и „. Малоподвижные и транзитные петрогенные халько- и си- , г , литофильные элементы дерофильные элементы *

Подгруппы Си-т-2п-Сс1 (г-0,97-0,99); У-П- 8с-А1~ЯЪ(г=0,83-0,90).' Са-Мк-Мп (г=0,95) П-К-Ва (>-0,80)

Микроэлементы избыточного накопления Cd.Zn.Cu.Ni.Co CkV.Sc

.Цитологический носитель Биогенные гели и глини- Обломочные и глинистые ми-стая фракция нералы

Механизмы накопления Сорбция, биологическое накопление, соосаждение с Механическая миграция терри-гидроксиадми Мп и Ие генного материала.

Возможные источники микроэлементов Бытовые и промышленные стоки, пылевые выбросы, а Переотложенные флювиогля-также стоки системы гид- циальные отложения розолоудаления ГРЭС-5

Наибольшей интенсивностью накопления (ЕБ до 11) характеризуется первая ассоциация переходных металлов группы железа (Мп,Ге,Со,Щ (в том числе биофильных) и халъко-фильных элементов (2п, Си, Сс1), а также щелочноземельных металлов - Са и Максимальным числом значимых внутригрупповых связей обладает Мп - 7 единиц, Сс/ и № - по 5, 2п, Си - по 4, наименьшим Са и Ре - по 2. Парные коэффициенты корреляции в подгруппе Си~И1-2п-С/1 достигают 0,97-0,99, что указывает на тесную взаимосвязь этих четырех тяжелых металлов и единый источник их происхождения. Учитывая технофильность и аномально высокое содержание этих элементов в осадках можно предполагать их техногенный генезис (бытовые и промышленные стоки, атмосферные выпадения). Сера характеризуется заметными отрицательными корреляциями с большинством ТМ (Со-Й1, №-5, /=-0,90), поскольку присутствие подвижной серы, вероятно, снижает сорбционную емкость осадков по отношению к металлам. Содержание халько- и сидерофильных элементов (по классификации В.М. Гольд-

£ 0.0 я

-0.2 -0.4

П-

ею,

Сг Ва

ОВ +

МпСй

"сгм^в

Са

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4

шмидта) тесно связано с количеством глинистой фракции и органического вещества в отложениях. Можно предположить, что все металлы этой группы сорбируются из водной среды на глинистых минералах и биогенных гелях, а СЫ, N1, 2п, Си также осаждаются вместе с гид-роксидами Мп. Подвижные обменно-сорбированные формы данных ТМ являются потенциальным источником вторичного загрязнения вод озер.

Вторая ассоциация, состоящая из 8 литофильных элементов с низкими уровнями накопления (ЕР=0,1-2), включает петрогенные элементы (А1, 77), крупноионные низкозарядные одно- и двухвалентные металлы (К,ЯЬ,Ва) и высокозарядные транзитные элементы (О, Бс, V), в том числе рассеянные. Сопряженность микроэлементов группы с А1,П, показывает, что основным ее носителем является минерогенная кристаллическая компонента осадка, унаследованная от нижневалдайских аллювиально-озерных отложений. По данным иммерсионного анализа (Объяснительная записка ..., 1987) эти отложения характеризуются высоким содержанием полевых шпатов (11,4 %), наличием эпидот-роговообманково-гранатовой минеральной ассоциацией, низким содержанием группы устойчивых минералов тяжелой фракции (циркон, дистен, ставролит и рутил). Дифференциация литофильных элементов по фактору 1, отражающему состав отложений, подчеркивает приуроченность этих элементов к различным минеральным фазам.

Значимые корреляции обнаруживаются внутри группы У-Т1-Зс-А1-ЯЬ и в триаде Тг-К-Ва. Наличие алюминия в осадках объясняется присутствием в них полевых шпатов, глинистых минералов (гидрослюд), а также гидроксидов алюминия. Титан может содержаться в виде обломочных частиц рутила, сфена и ильменита. Хром, вероятно, связан с акцессорными хромитовыми минералами, в том числе алюмохромитами. Отсутствие корреляции хрома и железа, входящих в одно геохимическое семейство, объясняется разными минеральными формами нахождения этих элементов в осадках.Рубидий в виде изоморфной примеси, замещающей калий, может содержаться в щелочных или К-Ыа полевых шпатах. Барий в рассеянном виде содержится в плагиоклазах. Скандий, вероятно, в основном рассеивается в минералах, содержащих алюминий (полевые шпаты, минералы глин) и титан (рутил). Присутствие в первой группе ванадия объясняется высокой изоморфной емкостью минералов титана по отношению к этому рассеянному металлу.

Сильная отрицательная корреляционная связь кремнезема сА1пЯЬ (г=-0,95 и -0,85 соответственно), не противоречит нахождению литофильных элементов в форме алюмосиликат-ных минералов, но показывает, что основная часть кремния содержится в виде чистого кварца, выступающего в качестве разбавителя остального терригенного материала.

Полученные методом линейного регрессионного анализ уравнения, связывающие концентрации токсичных элементов подгруппы Си-№-2п-Сс1 в осадках Шатурских озер (рис. 10), позволяют проводить прогнозы их содержаний по одному из четырех элементов (например, по Си).

Рис. 10. Точечные диаграммы и линейные графики зависимостей содержания Си, N1, СИ и 7.п в осадках Шатурских озер. Уравнения регрессии:

36+0,93Сс (^=0,99); СаН),03-Ю,025Сс„ (1^=0,95); С2„=23,35+2,75Сс„ (Г=0,93) си

Таким образом, путем анализа коэффициентов концентрации и межэлементных корреляционных связей выделены ведущие геохимические ассоциации в осадках Шатурских озер и установлена их приуроченность к различным литологическим компонентам. Результаты изучения геохимических условий седиментогенеза при формировании современных озерных осадков, обосновывают 2-е защищаемые положение: «В данных отложениях Шатурских озер (супеси, суглинки, илы и сапропели) установлена преобладающая геохимическая ассоциация преимущественно халько- и сидерофильных транзитных элементов {Ре№8№п>2п,№,Си,Со,С<1) с признаки аномальной концентрации микроэлементов, связанных с тонкодисперсной и органической компонентой осадка, и менее интенсивная генетическая группа малоподвижных литофильных элементов (А1,Т1,К,Ва,Сг,У,ЯЬ^с), приуроченных к терригенной компоненте осадков, унаследованной от средне-верхнеплейстоценовых отложений».

ГЛАВА 5. Методологические основы геохимического мониторинга современных озерных отложений Шатурской Мещеры.

Важным прикладным аспектом изучения геохимических условий современного этапа озерного седиментогенеза является учет техногенной составляющей, ее количественная оценка и поиск информативных критериев состояния окружающей среды. Решение данной задачи является приоритетным направлением экологической геохимии. В основе принципа количественной оценки интенсивности и уровня загрязнения донных отложений лежит сравнение фактических концентрации поверхностных горизонтов донных осадков с характеристиками регионального фона озерных осадков, сходных по комплексу генетических и литологических признаков. Для выбора оптимальной методики определения природного геохимического фона было проанализированы два принципиальных подхода.

В случае достаточной геохимической изолированности слоев донных отложений, а также отсутствия постседиментационного перемешивания, в том числе биотурбации, за характеристику природного фона может быть принят доиндустриальный уровень содержания микроэлемента, соответствующий асимптотическому значению на кривой распределения концентрации вдоль грунтовой колонки. Данный подход наиболее точен, поскольку в нем учитываются пространственно-временные вариации природного геохимического фона. Однако его применение ограничено в районе исследования технической сложностью и необходимостью проведения большого количества лабораторных анализов, в том числе датирования колонок донных осадков.

Второй, территориальный подход основан на выборе реперных объектов для определения природных характеристик регионального геохимического фона, принимаемых в качестве стандартов сравнения. Данный принцип применим при условии, что на достаточном удалении от источников геохимической эмиссии содержание микроэлементов определяется природными факторами, а пространственные вариации природного фона несущественны. Относительно озерных осадков региона ШМ это предположение представляются справедливыми, с учетом достаточно высокой их литологической однородности и слабой дифференциации в пределах акваторий.

Для решения задачи выбора фоновых объектов мониторинга проведен пространственный анализ размещения источников геохимической эмиссии с учетом характера потенциального загрязнения донных осадков озер. В условиях выраженной гидрологической автономности озерных систем ШМ от речной сети, к основным путям поступления загрязняющих микрокомпонентов следует отнести атмосферный перенос, непосредственный сброс сточных вод (существенен только в системе Шатурских озер) и смыв с приозерных равнин загрязняющих веществ, в том числе удобрений и пестицидов. Сводные данные по источникам техногенного геохимического воздействия представлены на авторской карте-схеме (рис. 11), составленной с учетом картографических материалов (Загрязнение природной среды ..., 1993; Геоэкологическая карта..., 1997; Состояние окружающей среды..., 2000 и др.).

М1Ш1ЕР0Н CKIIII

■ваино-ж

а >

ШАГ

/г-ч/^

ш.ттторф.

SrBeAgWBi

ЧЕРУСП1

ÍA/tf TJCJC.

"Поля

PbZnAg

рлаовищаш

рязАНОвааш

Техногенные объекты Загрязнение природных сред

ABC D Е F

\Ic»,N¡.Hg

QiQ»a,i д«|—I ^

Q; §: ♦ * --Мо,-

1 So. e2n 2

А - объекты промышленности: 1 - машиностроения и металлообработки; 2 - стекольной и фарфоро-фаянсовой; 3 - деревообрабатывающей; 4 - химической; 5 - легкой. В - свалки: 1 - действующие, 2 - закрытые. С - месторождения полезных ископаемых: 1 -торф; 2 - сапропель; 3 - глины кирпичные; 4 - глины огнеупорные; 5 - пески; 6 - фосфориты. Э - области торфоразработки .

Е - ореолы аэрозольного загрязнения приземной атмосферы (по пробам снеготалой воды), основные загрязнители. Г - ореолы сильного (1) и умеренного (2) химического загрязнения почв и донных осадков, основные загрязнители. Компоненты загрязнения: х - токсичные элементы, п - пестициды.

Цифрами на карте обозначены основные озерные группы: 1 - Шатурская, 2 - Бардуковская; 3 - Туглесская; 4 - озер Свириброво, Тельминское, Филинское; 5 - Клепиковская; 6 - Радовицкая; 7- Шалаховское вдхр.

Районы Московской области: I - Шатурский; II - Егорьевский; III - Орехово-Зуевский; IV - Коломенский; V - Луховицкий.

Рис. 11. Карта-схема источников техногенной геохимической эмиссии и загрязнения природных сред в районе Шатурской Мещеры.

Анализ расположения ореолов микроэлементного загрязнения приземной атмосферы и почв, а также размещения производственной базы в Шатурском и прилегающем к нему районах, позволил выделить три основных центра химической эмиссии: г. Шатура и ГРЭС-5, предприятия Рошальского химического производства и промышленный комплекс г. Егорьевска (табл. 3).

Таблица 3

Характеристика основных ореолов микроэлементного загрязнения и их воздействие на озерные группы.

Це,Гф Основные источники загрязнения Пути поступления компонентов в Депонирующие ореола___озера_озера_

Район г. Шатура

ГРЭС-5, работающая на газовом топливе, но использующая в качестве резервных источников также мазут и торф.

Сточные воды (№ - до 32, Мп -7,

РЬ - 3, Си. гп-2ПДК)._

Выпадение атмосферных аэрозолей, в том числе компонентов

зол-уноса (№, V, Си, Яз)._

Стоки системы гидрозолоудаления (Си, Мо, Аз).

Шатурские, Бардуковские

Деревообрабатывающие предприятия, Атмосферные выпадения Pb, Cd, производство лазерного оборудования. Си, Со

Район г. Рошальский химический комбинат им. Рошаль A.A. Косякова и предприятия по производству эфиров, антифризов, лаков и т.п.

Атмосферные выбросы, содер- Бардуковские, жащие аэрозоли соединений Си, Шатурские, Zn, Pb, Cd._Туголесские

Все озерные группы

Район г. Текстильная промышленность, деревооб- Рассеянное загрязнение воздуш-Егорьевска работка, производство теплошоляцион- ного бассейна ¿г, Мп, Cd, РЬ, Ъа, ных материалов. Сг.

Каждый выделенный центр характеризуется определенньм геохимическим спектром техногенной пыли, отражающим структуру производственного комплекса. Так, в формировании шатурского ореола (Си, Zn, №, V, Мо, Ая) ведущую роль играют пылевые выбросы ТЭС, причем присутствующие в нем №, V - типоморфные элементы мазутных зол (Сает, Ревич, Янин, 1990), являются индикатором использования этого вида топлива.

С учетом структуры и интенсивности ореолов рассеяния, а также опасности воздействия микроэлементов на природные экосистемы и человека, к загрязняющим элементам, требующим приоритетного контроля в районе исследования, следует отнести: РЬ, Сё, Аэ, Ъл (I класс опасности), Мо, Си (И класс опасности) и Мп, V (III класс опасности).

Характер расположения основных озерных групп ШМ по отношению к источникам химической эмиссии и зонам площадного загрязнения, а также преобладание в районе ветров юго-западных, южных и северных румбов, показывает, что в качестве базовых фоновых объектов геохимического мониторинга могут быть выбраны Туголесские и Ра-довицкие озера, наименее подверженные в историческое время техногенному загрязнению. Поскольку внутри озерных групп ШМ прослеживается тесная связь уровней концентрации халько- и сидерофильных элементов и литологического состава донных осадков, то для исключения влияния последнего на результаты геохимической съемки, аналитические пробы должны иметь сходные значения содержания органического вещества и глинистости.

Определяющая роль атмосферных выпадений в формировании микроэлементного состава озерных осадков и более высокие коэффициенты концентрации в них аэротехногенных микроэлементов по сравнению с пробами почв, поверхностных вод и растений, обосновывают в качестве 3-го защищаемого положения следующий принцип геохимического мониторинга: «Исследования уровней накопления халько- и сидерофильных микроэлементов (Си^п,РЬ,СЛ^$,М,Мо) в верхних горизонтах органоминеральных илов Шатурских, Бардуковских и Клепиковских озер относительно фоновых донных осадков Туголес-ских и Радовицких озер служат основой современного и ретроспективного мониторинга ореолов рассеяния атмосферных аэрозолей от промышленных центров Шатурского района и сопредельных территорий Московской области».

Выводы

1.Следствием тенденции опускания Владимиро-Шиловского тектонического прогиба в центральной части Мещерской низменности в сочетании с обводнениями ее территории в ледниковые эпохи плейстоцена стало широкое развитие здесь процессов озерного осадконакопле-ния, игравших ключевую роль при формировании четвертичных комплексов ложбинных понижений. Эти комплексы состоят их аллювиально-озерных, озерных, флювиогляциальных и озерно-болотных отложений от окско-днепровского до голоценового возраста.

2. Анализ динамики осадконакопления в ледниково-межледниковых циклах среднего и позднего плейстоцена позволил выделить общие этапы эволюции озерных систем ложбинных понижений Шатурской Мещеры:

I.формирование бассейнов проточного типа в результате клязьминской трансгрессии в первой половине московской и валдайской ледниковой эпохи; накопление косослоистых песков с прослоями горизонтальнослоистых супесей;

Н.затруднение стока бассейнов, их отделение от транзитной гидросети за счет подпруживания устьев ложбин аллювием террас Клязьмы; накопление отложений застойных вод - горизонтальнослоистых суглинков и супесей;

Ш.спуск краевых и фрагментация внутренних бассейнов ложбин стока в межледниковьях из-за эрозионного расчленения зандров при понижении базиса эрозии и их дальнейшее заболачивание вследствие потепления климата; накопление тяжелых суглинков с растительными остатками, торфянистых супесей, мергелей, сапропелей, торфа.

3.Обоснованы палеогеографические причины различной выраженности последнего четвертичного цикла озерной седиментации в долинно-зандровых равнинах Мещерской низменности. В частности, активность этого цикла в Шатурском районе по сравнению с другими областями подмосковной Мещеры, во многом обусловлена лимногенезом при повторном обводнении Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока в валдайскую ледниковую эпоху. Широкое распространение здесь остаточных озер в современном межледниковье стало следствием снижения дренажа и заболачивания молодого уровня зандровой равнины в условиях слабого развития ее речной сети.

4.Анализ четвертичной стратиграфии и геоморфологии района показал, что большинство современных озерных групп приурочено к поверхностям аллювиально-озерной аккумуляции ранневалдайского времени в днищах Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока, а их котловины наложены на погребенные эрозионные понижения микулинского возраста.

5.Современные отложения Шатурских и Туголесских озер, представленные сапропелями мощностью 2-5 м на профундали, глинистым илом (до 10 % ОВ) и супесями на литорали, залегают на слабозаторфованных песках и супесях калининского ледникового горизонта с линзами суглинков (до 1 % ОВ).

6.В минеральных и органоминеральных осадках Шатурских озер отмечается устойчивый аномальный геохимический ореол мышьяка (диапазон 8-40 мг/кг), кадмия (0,04-1,7 мг/кг), кобальта (4-33 мг/кг), цинка (26-210 мг/кг), меди (1-71 мг/кг), никеля (3-59 мг/кг), являющихся основными индикаторами техногенеза.

7.Выделены две полиэлементные геохимические ассоциации в осадках Шатурских озер, состав, корреляционная структура и интенсивность которых указывает на приуроченность к глинистой фракции, биогенному детриту и техногенность первой группировки (Zn.Ni.Cu,Со,СО), и сродство к терригенной составляющей осадка второй ассоциации (К,Ва,ПСг,А1).

8.Глинистые илы в акватории озер Шатурской Мещеры являются чувствительной депонирующей средой, наиболее точно отражающей геохимическое состояние аквальных систем.

9.Уровни накопления ряда халько- и сидерофильных микроэлементов (Си,2п,РЬ,С(1,Аз,ШМо) в илах озер Шатурской Мещеры относительно регионального геохимического фона озерных осадков сходного литологического состава служат индикаторами техногенной эмиссии атмосферных аэрозолей, содержащих данные элементы.

10. Характер расположения озерных групп Шатурской Мещеры относительно основных центров техногенной эмиссии района показывает, что в качестве фоновых объектов геохимического мониторинга могут быть выбраны донные осадки Туголесских и Радовицких озер.

Публикации по теме диссертации:

1 Горбатов Е.С., Рассказов А.А. Перспективы применения анализа донных отложений при изучении геоэкологических условий старичных озер // Материалы 6-й межд. конф. «Экология речных бассейнов», Владимир, 2011. С. 41-44.

2.Rasska:ov A., Vasilieva Е„ Gorbatov Е., Bachmanov D. Geological characteristics of paleolim-nological complexes formation in the Urals // 5th International Limnogeological Congress (ILIC-2011). Konstanz. p.54-55. 2011.

ЪГорбатов E.C., Рассказов А.А, Васильева Е.Ю. Анализ гидрохимической устойчивости лим-носистем Шатурских озер // Вестник МГОУ. Серия «Естественные науки». 2011. №5. С. 3944. (журнал из списка ВАК).

4.Рассказов А.А., Горбатов Е.С. Анализ геологического строения и истории развития озерных котловин как основа для геоэкологического мониторинга (на примере Шатурской группы озер) // Вестник РУДН. Серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2012. № 1. С. 6673. (журнал из списка ВАК).

5.Веселое Н.В., Горбатов Е.С. Оценка загрязнения почв и четвертичных отложений Шатурской озерной котловины // Материалы межд. молодеж. науч. форума «Ломоносов - 2012» [Электронный ресурс], Москва, МГУ, 2012.

6Горбатов Е.С. Веселое Н.В., Барабошкина Т.А., Самарин Е.Н. Эколого-геохимическая характеристика четвертичных отложений в районе Шатурских озер // Актуальные проблемы экологии и природопользования: сб. науч. тр. - Вып. 14. - М.: Изд-во РУДН. 2012. - 4.1. С. 321328.

7.Рассказов А.А., Горбатов Е.С. Характеристика минеральных осадков озер Шатурской Мещеры // Геоэкологическое состояние Подмосковной Мещеры. М.: МГОУ. 2012. С. 74-80.

8.Рассказов А.А., Васильева Е.Ю., Горбатов Е.С., Георгиевский А.Ф. Лимногеология и условия озерного осадкообразования: учебное пособие. -М.: РУДН, 151 с. 2012.

9Горбатов Е.С. Рассказов А.А. Состояние поверхностных вод и пожароопасная обстановка в Шатурском районе Московской области // Материалы 4-й научно-практической конференции «Экология регионов», Владимир, 2012. С. 7-10.

10. Горбатов Е.С., Рассказов А.А. Выявление и анализ природно-техногенных ассоциаций элементов в осадках Шатурских озер // Сборник научных трудов «Сергеевские чтения. Выпуск 15», Москва, 2013. С. 308-313.

11. Рассказов А.А., Васильева Е.Ю., Горбатов Е.С. Геодинамические условия формирования приразломных озерных котловин Южного и Среднего Урала // Геофизические исследования. 2013. № 2. С. 71-83. (журнал из списка ВАК).

12. Горбатов Е.С. Формирование и геохимические особенности осадков озер Шатурской Мещеры // Вестник РУДН. Серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 1. С. 80-88. (журнал из списка ВАК).

13. Горбатов Е.С. Основные геохимические ассоциации элементов в осадках Шатурских озер // Актуальные проблемы экологии и природопользования: сб. науч. тр. - Вып. 15. - М.: Изд-во РУДН. 2013. С. 168-172.

14. Горбатов Е.С. Донные отложения Шатурских озер как индикаторы местных геоэкологических условий // Материалы научно-методической конференции преподавателей, аспирантов и студентов МГОУ (географо-экологический и биолого-химический факультет). - М.: МГОУ. 2013. С. 106-110.

АННОТАЦИЯ

на кандидатскую диссертацию Горбатова Евгения Сергеевича по теме: «Особенности озерного седиментогенеза при формировании четвертичных комплексов Шатурской Мещеры»

В диссертации рассмотрены закономерности строения и формирования лимногенных четвертичных комплексов Шатурской Мещеры. На базе анализа их стратиграфии, литолого-фациальной структуры и геоморфологических позиций выявлены основные тенденции эволюции озерного осадконакопления в плейстоцене и голоцене. Предложена палеогеографическая схема поэтапного развития озерных бассейнов ложбинных понижений Шатурской Мещеры в ледниково-межледниковых циклах плейстоцена, показывающая, что четвертичный лимногенез являлся результатом клязьминских трансгрессий в первой половине московского и валдайского оледенения.

На базе анализа литолого-геохимических условий современного этапа озерного седиментогенеза впервые выявлены основные геохимические ассоциации элементов, как унаследованные от верхнеплейстоценовых отложений, так и сформированные под действием современных природно-техногенных факторов. Установлены их литологические носители и механизмы накопления. Показано, что наибольшей интенсивностью характеризуется ассоциация преимущественно халько- и сидерофильных элементов (Fe, Mg, Mn,Zrt, Ni, Си, Co.Cd), связанных с тонкодисперсной и органической компонентой озерных осадков.

Рекомендована методика региональной оценки техногенной эмиссии атмосферных аэрозолей, основанная на определении уровней накопления ряда аэрогенных микроэлементов (Cu,Zn,Pb,Cd,As,Ni,Mo) в илах озер Шатурской Мещеры относительно геохимического фона озерных осадков сходного литологического состава.

ANNOTATION

to the candidate dissertation of Gorbatov Evgueni Sergeevich on theme «Features of the lacustrine sedimentation in the formation of Quaternary complex of the Shaturskaya Meschera»

In the dissertation considered the laws of the structure and the formation of Quaternary lacustrine complexes of the Shaturskaya Meschera. On the basis of analysis of their stratigraphy, lithol-ogy, facial structure and geomorphic positions identified major trends in the evolution of lacustrine sedimentation in the Pleistocene and Holocene. It is proposed the paleogeographic scheme phased development of lake basins in the outwash valleys Shaturskaya Meshchora in glacial-interglacial cycles of the Pleistocene, showing that the formation of lake basins was the result of transgressions Klyazma River in the first half the Moscow and the Valdai glaciation.

On the basis of analysis of the lithological and geochemical conditions of the present stage of sedimentation of the lake for the first time identified the main geochemical associations of elements inherited from the Pleistocene sediments and formed under the influence of modem natural and technogenic factors. It is shown that the highest intensity of association is characterized mainly chalco- and siderophile elements (Fe,Mg,Mn,Zn,Ni,Си,Co.Cd), related to the fine particulate component and organic lake sediments.

Recommended method of regional assessment of technogenic emissions of atmospheric aerosols, based on the determination of the levels of accumulation of airborne trace elements (Cu,Zn,Pb,Cd,As,Ni,Mo) in sediments of lakes Shaturskaya Meshchora regarding the geochemical background of lake sediments of similar lithology.

Подписано в печать 17.10.2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 1506. Российский университет дружбы народов

_115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3_

Типография РУДН 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3, тел. 952-04-41

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Горбатов, Евгений Сергеевич, Москва

Российский университет дружбы народов (РУДН)

На правах рукописи

04201451681 Горбатов Евгений Сергеевич

ОСОБЕННОСТИ ОЗЕРНОГО СЕДИМЕНТОГЕНЕЗА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ШАТУРСКОЙ МЕЩЕРЫ

специальность 25.00.01 - общая и региональная геология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Рассказов Андрей Андреевич

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................3

ГЛАВА 1. Общая характеристика района исследований........................8

1.1.Клима т..................................................................................9

1.2.Рельеф и физико-географическое районирование.....................................12

1.3.Гидрологи я.............................................................................. 13

1.4.Почвы и растительность................................................................ 14

1.5.Экономико-географическое положение............................................... 15

1.6.Геоэкологическое состояние........................................................... 16

ГЛАВА 2. Геологическое строение Мещерской низменности................19

2.1.Структура кристаллического фундамента............................................. 19

2.2.Стратиграфия и литология осадочного чехла..........................................20

2.3.Тектоническое строение и развитие структур осадочного чехла......................26

2.4.Гидрогеологические условия............................................................31

2.5.Современные экзогенные процессы....................................................32

ГЛАВА 3. Формирование четвертичных отложений Шатурской Мещеры и динамика озерного седиментогенеза..................................34

3.1.Стратиграфия и особенности распространения четвертичных отложений...........35

3.2. Формирование лимногенных комплексов и закономерности эволюции озерных бассейнов в плейстоцене...................................................................42

3.3. Развитие озер и озерного осадконакопления в голоцене................................48

ГЛАВА 4. Литолого-геохимические особенности современных озерных осадков Шатурской Мещеры...............................................54

4.1. Методы исследований..................................................................54

4.1.1 .Определение физических свойств и состава проб............................... 54

4.1.2.Рентгенофлуоресцентный полиэлементный анализ.............................57

4.2. Результаты лабораторных геохимических исследований............................ 58

4.3. Анализ и интерпретация полученных результатов....................................63

4.3.1 .Характер и интенсивность накопления микроэлементов......................... 65

4.3.2.Выявление геохимических ассоциаций и анализ условий их образования..... 68

ГЛАВА 5. Методологические основы геохимического мониторинга современных озерных отложений Шатурской Мещеры........................74

5.1. Оценка степени химического загрязнения донных отложений.......................75

5.2. Характеристика источников химической эмиссии и путей их воздействия на озерные осадки...................................................................................... 78

Выводы.......................................................................................82

Литература..................................................................................84

ВВЕДЕНИЕ

Озера являются водоемами замедленного стока, обладающими способностью аккумулировать в виде донных отложений аллохтонное и автохтонное вещество, соответственно, поступающее извне и образующееся в пределах водной толщи [9, 110]. Основными источниками озерного седиментационного материала является наносы рек, лимноабразия, выпадение навеянных частиц, образование хемогенного и биогенного вещества, техногенная деятельность и т.д. Седиментогенез в озерных системах, выступающих в качестве конечных водоемов стока, является ключевым этапом континентального литогенеза.

Классические исследования современного озерного седиментогенеза, как модели древнего осадкообразования выполнил Н.М. Страхов [79, 85, 108]. Большой вклад в развитии геологических основ изучения ископаемых озерных комплексов внесли Д.В. Наливкин, Л.В. Пустовалов, Л.Б. Рухин, Ф.Дж. Петтиджон, Н.Н. Верзилин [86, 90, 96, 100]. В рамках отечественной школы палеолимнологии на основе анализа донных отложений была восстановлена история многих озер Восточно-Европейской равнины, крупных озер Средней и Центральной Азии, Сибири, Дальнего Востока, ряда малых озер севера Азии [57, 110, 114].

Способность озерных осадков непрерывно накапливать и сохранять с высоким пространственно-временным разрешением информацию о прошлых природно-климатических, тектонических, ландшафтно-геохимических, техногенных условиях и процессах, определяет научные перспективы исследований лимногенных комплексов [95, 97, 125]. Например, озерные осадки с выраженной сезонной слоистостью, предоставляют исследователям большой объем данных для составления длительных временных рядов параметров окружающей среды, используемых для реконструкции и прогнозирования климатической изменчивости [124]. Изучение озерных комплексов как индикаторов палеогеографических условий с помощью геолого-геоморфологических, литолого-геохимических, геофизических и палеонтологических методов является основной задачей активно развивающейся научной дисциплины - лимногеологии, возникшей в середине 90-х годов XX века [96, 123-127].

Настоящая работа посвящена выявлению основных пространственно-временных закономерностей озерного седиментогенеза в Мещерской низменности, отражающих

эволюцию озер и развитие рельефа этого района в меняющихся природно-климатических условиях четвертичного времени.

Одним из важных направлений работы является геохимия современных озерных осадков. Актуальность геохимических исследований донных осадков озер вблизи урбанизированных территорий, таких как Московская агломерация, подчеркивается необходимостью расширения способов индикации природной среды в связи с усилением техногенного воздействия на природные ландшафты [88]. Исследования озерных отложений позволяют собирать интегрированные по водосборной площади геохимические данных, причем более высокие концентрации примесных компонентов в озерных осадках, в ряде случаев упрощают аналитические методы их исследования и определяют большую надежность результатов по сравнению с пробами почв, воды и биологическими образцами [112]. Осадочные летописи озер также отражают динамику природно-техногенных изменений местного и регионального уровня.

В пределах Шатурского района расположено около 50 озер субаэральных ложбин стока (по классификации равнинных озер Асеева, 1974) общей площадью 58 км2, сосредоточенных в нескольких группах: Шатурской (12 озер), Туголесской (11), Клепиковской (15), Бардуковской (7), Радовицкой (9) [12]. В настоящее время район испытывает сильную техногенную геохимическую нагрузку в форме промышленных выбросов (ГРЭС-5 в г. Шатура, химкомбинат в г. Рошаль и др.), сброса сточных вод, складирования золошлаковых и бытовых отходов, атмосферных выбросов при лесоторфяных пожарах, загрязнения поверхностных вод и т.п. [18, 37, 43, 63, 76, 87, 88, 102].

В современных геохимических исследованиях отмечается, что, чем меньше площадь равнинного озера, его удельный водосбор и глубина, тем более отчетливо проявляются связи между составом донных осадков и литолого-геохимическими особенностями территории [53, 55, 109]. Хорошая выраженность таких индикационных связей для малых слабопроточных озер в Шатурском районе, обосновывают выбор их донных осадков в качестве перспективного объекта исследования.

Цель работы. Выявить основные закономерности строения лимногенных четвертичных комплексов Шатурской Мещеры (ШМ) и формирования их литолого-геохимических особенностей в процессе седиментогенеза.

Задачи исследования: 1.На базе анализа стратиграфии, литолого-фациальной структуры и геоморфологических позиций четвертичных комплексов района проследить основные тенденции в эволюции

озерного оеадконакопления как отражении геологических и природно-климатических процессов в плейстоцене и голоцене.

2.Изучить условия залегания донных отложений озер и установить основные закономерности формирования их литологического состава и геохимических особенностей.

3.Исследовать корреляционные зависимости между концентрациями микро- и макроэлементов, гранулометрическими и физическими характеристиками озерных отложений для решения вопроса о механизмах поступления и накопления осадочных компонентов.

^Диагностировать загрязнение литологических разностей озерных осадков тяжелыми металлами и другими микроэлементными компонентами.

5.Разработать методологическую основу изучения озерных отложений в качестве индикаторов геохимического состояния окружающих ландшафтов Шатурского района.

Научная новизна:

1.Выявлены общие этапы эволюции озерных систем и озерного оеадконакопления при формировании комплексов ложбинных понижениях ШМ в московско-микулинском и валдайско-голоценовом климатических циклах.

2.Обоснованы палеогеографические причины различной выраженности позднеплейстоценово-голоценового цикла озерного оеадконакопления в долинно-зандровых равнинах Мещерской низменности.

3.На базе аналитических данных установлены геохимические особенности литологических разностей современных озерных осадков ШМ.

4.В результате литолого-геохимических исследований донных осадков озер ШМ впервые выявлены основные геохимические ассоциации элементов, как унаследованные от позднеплейстоценовой морфолитогенной основы, так и сформированные на современном этапе оеадконакопления под действием природно-техногенных факторов (биоаккумуляция микроэлементов, выпадение техногенной пыли, лесоторфяные пожары).

5.Предложен подход к оценке геоэкологической ситуации ландшафтов зандровых равнин.

Проводилась систематизация научных, фондовых и картографических материалов по

четвертичной геологии, стратиграфии и геоморфологии Мещерской низменности и

сопоставимых с ней регионов. В процессе исследования использовались следующие

методы: литолого-геохимический, геоморфологический, статистический,

геоинформационный, системно-аналитический, сравнительно-географический и др. Кроме

того, в работе анализировались данные исследований геохимического фона в почвах и четвертичных отложениях района [21, 88, 103, 107].

Для сбора фактической информации автором в ходе полевых исследований проведен отбор проб донных осадков с глубин первых метров из акватории озер Шатурской (оз. Святое, Муромское, Черное) и Туголесской группы (оз. Воймежное, Свиношное). Лабораторная подготовка и анализы образцов выполнены на Геологическом факультете МГУ при участии автора. Методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии определено валовое содержание 28 элементов, включая макроэлементы: 5/, А1, С, Fe, К (>1 %); Са, Mg, Д Р (0,1-1 %) и элементы-примеси: 5, Ва, Мп (< 0,1%); 5г, 2п, Сг, РЬ, V, ЯЬ, Си, М, Аз, Со (< 1-Ю'2 %); 5с, Бп, Су (<110~4 %); Мо, Щ, Сс1 (менее 1-1(Г5 %). Всего выполнено 532 анализа микроэлементов.

Полученные результаты вносят дополнения в вопросы динамики лимногенеза и эволюции озер прегляциальных территорий зандрового типа в плейстоцене. Выполненные исследования также расширяют базу аналитической информации по геохимии компонентов природной среды ШМ. С учетом особенностей техногенной геохимической эмиссии установлены приоритетные микроэлементные загрязняющие компоненты и их соотношения. Выявлены устойчивые корреляционные связи концентраций ряда тяжелых металлов (Си, М, 2п, Сс1, Со, Мп), позволяющие проводить комплексные оценки уровней загрязнения донных отложений по содержанию 1-2 элементов геохимической группы. Результаты исследования могут быть использованы при геохимическом мониторинге ландшафтов Мещеры.

Защищаемые положения: 1 .Активность позднеплейстоцен-голоценового цикла озерного седиментогенеза в Шатурском районе по сравнению с другими районами подмосковной Мещеры во многом обусловлена лимногенезом при повторном обводнении Шатурской и Туголесско-Ялминской ложбины стока из-за разлива долин Оки и Клязьмы в валдайскую ледниковую эпоху. Широкое распространение здесь остаточных озер в современном межледниковье стало следствием снижения дренажа и заболачивания ранневалдайского уровня зандровой равнины в условиях слабого развития его речной сети.

менее интенсивная генетическая группа малоподвижных литофильных элементов (Al,Ti,K,Ba,Cr,V,Rb,Sc), приуроченных к терригенной компоненте осадков, унаследованной от средне-верхнеплейстоценовых отложений. 3.Исследования уровней накопления халько- и сидерофильных микроэлементов {Си, Zn, Pb, Cd, As, Ni, Mo) в верхних горизонтах органоминеральных илов Шатурских, Бардуковских и Клепиковских озер относительно фоновых донных осадков Туголесских и Радовицких озер служат основой современного и ретроспективного мониторинга ореолов рассеяния атмосферных аэрозолей от промышленных центров Шатурского района и сопредельных территорий Московской области

Личный вклад диссертанта заключается в сборе, подготовке и систематизации фактической информации, сопоставлении геологических разрезов, составлении тематических карт (5 шт). В течение нескольких полевых сезонов проводилось детальное описание геологических обнажений, колонок донных осадков и береговых отложений с отбором их проб. Автором выполнены лабораторные исследования, обработка, анализ и интерпретация полученных результатов, на основе чего предложены методологические подходы к изучению процессов современного озерного седиментогенеза, в том числе в целях проведения регионального геохимического мониторинга.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю, д.г.-м.н., проф. Рассказову A.A. за полезные рекомендации на всех этапах работы и за знания, полученные в фундаментальных областях геологии, географии и геоэкологии. Автор благодарит доцента кафедры геоэкологии РУДН, к.г.-м.н. Огородникову E.H. за внимание к работе и ценные советы по теме диссертации. Автор признателен к.г.н. Колесникову С.Ф. за плодотворное обсуждение промежуточных этапов работы. Диссертант выражает благодарность сотрудникам кафедры геоэкологии РУДН, кафедры месторождений полезных ископаемых и их разведки им. В.М. Крейтера, а также кафедры инженерной и экологической геологии МГУ, и особенно доц., к.г-м.н. Барабошкиной Т.А.

ГЛАВА 1. Общая характеристика района исследований

Среди аллювиально-зандровых равнин Восточно-Европейской равнины, называемых иногда полесьями [30], Мещерская низменность является типичной и занимает центральное место. Характерной региональной особенностью данного типа низин является их приуроченность к внутриплатформенным тектоническим прогибам в перигляциальных зонах среднеплейстоценовых оледенений [57, 58] (рис. 1).

Рис. 1. Схема распространения средне- (I) и позднеплейстоценовых (II) аллювиально-зандровных низин Восточно-Европейской платформы. Цифрами обозначены низменности (бассейны рек): 1 - Полесская (Припяти, Днепра), 2 - Мещерская (Оки, Клязьмы); 3 -Унжи и Ветлуги; 4 - Камы, Вятки, Белой и нижней Волги; 5 - Дона, Хопра и Северного Донца; 6 - Мазовецко-Подлясская (средней Вислы); 7 - Ярославско-Костромская; 8 -Молого-Шекснинская; 9 - Волхов-Ильменская. Южные границы четвертичных оледенений (по данным [57], [89]): Idns и Iok - донского и окского (раннеплейстоценовых); Ilms - московского (среднеплейстоценового); Illkl -калининского (ранневалдайского) и Iiiost - осташковского (поздневалдайского) -позднеплейстоценовых.

По схеме палеогеографического районирования Восточно-Европейской равнины, разработанной Д.Д. Квасовым, большинство низин полесского типа входят в один из 8 выделенных районов [61].

Мещерская низменность граничит с Московской возвышенностью на севере, Окско-Цнинским плато - на востоке, Окско-Донской равниной - на юге, Среднерусской возвышенностью - на юго-западе и западе, образуя треугольник, в вершинах которого приблизительно расположены города Москва, Рязань и Владимир. Ее границы более точно проводят по двум цепям рек: 1) исток Пехорки - Москва - Ока - Гусь - исток Колпи и 2) Клязьма (примерно от г. Шелково) - исток Судогды.

Согласно принятой схеме геоморфологического районирования Мещерской низменности [5], в ее области выделяется четыре подобласти: 1) Западная останцово-ложбинная и 2) Восточная (сухая) Мещера, расположенные на сильно расчлененной поверхности палеозойского основания в крыльях Владимиро-Шиловского прогиба; 3) Центральная низинная Мещера в осевой зоне прогиба; 4) Южная (Приокская) Мещера -обширная аллювиальная террасовая равнина левобережья Оки (рис. 2).

Непосредственным районом исследования явилась подмосковная часть Центральной Мещеры или Шатурская Мещера (рис. 3), которая включает плоскую и пологоволнистую долинно-за�

Информация о работе

Горбатов, Евгений Сергеевич
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.01

Диссертация

Особенности озерного седиментогенеза при формировании четвертичных комплексов Шатурской Мещеры - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы