Условия осадконакопления переходной зоны от северо-западного шельфа к глубоководной впадине Черного моря в позднеплейстоцен-голоценовое время
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАУК
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание научной степени кандидата геологических наук
УСЛОВИЯ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ ОТ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ШЕЛЬФА К ГЛУБОКОВОДНОЙ ВПАДИНЕ ЧЕРНОГО МОРЯ В ПОЗДНЕПЛЕЙСТОЦЕН-ГОЛОЦЕНОВОЕ ВРЕМЯ
04.00.10 - геология океанов и морей
КАКАРАНЗА Сергей Дмитриевич
Киев-2007
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Прогноз и перспективы разработки полезных ископаемых имеют важное государственное значение в связи с распределением зон экономических интересов государств Черноморского региона. Проблема прогнозирования и поиска новых месторождений полезных ископаемых в глубоководной зоне Черного моря и в пределах континентального склона становится все более актуальной. Большие запасы уникального органо-минерального сырья, которое может быть использовано во многих отраслях - сельском хозяйстве, строительстве, медицине, в том числе фармакологии и т.п., приурочены именно к континентальному склону и глубоководной части Западно-Черноморской впадины. Их широкое распространение, формирование и эволюция донных отложений этого района, в которых отмечены полезные ископаемые, определяет и соответствующее внимание к изучению процессов самого осадконакопления и геохимической характеристики осадков.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в рамках «Региональных геолого-геофизических исследований масштаба 1:500 000 континентального склона и глубоководной впадины Черного моря в пределах листов L-36-XXXI (ю.ч.), -XXXII, -XXXIII, -XXXIV (ю.ч.); K-36-I, -II, -III, -IV, -VII», а также «Подготовки к изданию комплекта геологических карт шельфа, континентального склона и глубоководной впадины Черного моря масштаба 1:500 000 в пределах листов L-35-Г, L-36-A, L-36-B, K-36-A (с.ч.)» (номер госрегистрации У-98-109/12) и «Разработки методического руководства по организации и проведению геологической съемки шельфа Черного и Азовского морей масштаба 1:200 000 и 1:500 000» (номер госрегистрации У-03-164/2(М)), проводимых Причерноморским государственным региональным геологическим предприятием по заказу Государственной геологической службы Украины. Автор принимал участие в этих работах в роли ответственного исполнителя.
Цель и задачи исследований. Цель работы - выявление современных и реконструкции обстановок осадконакопления в позднем плейстоцене и голоцене в пределах эрозионно-аккумулятивной зоны шельфа, континентального склона и прилегающей глубоководной части на северо-западе Черного моря.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Изучение литологической и минералогической характеристик донных отложений.
2. Выделение литофаций и их пространственно-временных соотношений.
3. Выделение форм и элементов форм донного рельефа, как фактора, влияющего на осадконакопление.
4. Изучение геохимических признаков обстановок осадконакопления.
5. Выделение и реконструкция обстановок осадконакопления.
Объект исследований - условия осадконакопления в пределах эрозионно-аккумулятивной зоны шельфа, континентального склона и прилегающей глубоководной части на северо-западе Черного моря в позднем плейстоцене и голоцене.
Предмет исследований - донные отложение переходной зоны от шельфа к глубоководной впадине северо-западной части Черного моря.
Научная новизна полученных результатов.
1. Впервые на основе комплексных площадных геологических исследований проведено детальное изучение вещественного состава, пространственной локализации и мощностей верхнеплейстоцен-голоценовых отложений в зоне перехода от шельфа к глубоководной впадине в северо-западной части Черного моря, что позволило реконструировать условия их накопления.
2. Впервые для эрозионно-аккумулятивной зоны континентального склона и подножья северо-запада Черного моря выделены литофации новоэвксинских, нижнечерноморских и верхнечерноморских отложений, установлена локализация соответствующих стратиграфических подразделений, их пространственно-временная суперпозиция.
3. Впервые установлено, что аномально большие мощности нижне- и верхнечерноморских отложений приурочены к верхней части континентального склона, что связано с относительно небольшими углами наклона и наличием алевритового компонента, снижающего текучесть осадков.
4. Установлена ведущая роль биогенного и гидродинамического факторов в формировании и пространственной локализации двух геохимических ассоциаций элементов в верхнеплейстоцен-голоценовых отложениях.
Практическое значение полученных результатов. Результаты исследования состава и условий накопления верхнеплейстоцен-голоценовых осадков в пределах северо-западной части шельфа, континентального склона и глубоководной части Черного моря обеспечивают геологическую основу детального изучения экзодинамики донных отложений, с целью выявления и освоения новых перспективных площадей полезных ископаемых, а также для принятия оптимальных инженерных решений при проектировании объектов народнохозяйственного значения.
Личный вклад соискателя. Соискатель лично принимал участие в морских полевых работах по отбору проб и описанию керновых колонок донных отложений на борту судна. Все основные результаты и выводы, изложенные в данной работе соискателем, а также весь графический материал получены самостоятельно.
В совместных публикациях автору принадлежит данные морских экспедиционных исследований, обработка результатов аналитических исследований, построение всех графических приложений с использованием современных компьютерных программ и ГИС-технологий и обоснование сделанных на этой основе выводов.
Фактический материал. В основу работы положены материалы, собранные автором при проведении региональных геолого-геофизических исследований континентального склона и глубоководной впадины северо-западной части Черного моря масштаба 1:500 000 Причерноморским государственным региональным геологическим предприятием с борта НИС «Топаз» в 1986-1990 гг. и 1998-2003 гг. Для решения поставленных задач автор использовал результаты исследований 614 станций донного пробоотбора, из которых - 53 на шельфе, 126 на континентальном склоне, 435 у подножия склона и глубоководной части. Также автором использовались материалы работ по подготовке к изданию комплекта геологических карт шельфа, континентального склона и глубоководной впадины Черного моря масштаба 1:500 000 в пределах листов L-35-Г, L-36-A, L-36-B, K-36-A (с.ч.), в которых он принимал участие в роли ответственного исполнителя.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований опубликованы и докладывались на XIV и XV Международной школе морской геологии (г. Москва, 2001 и 2003), III Международном симпозиуме «Экологические проблемы Черного моря» (г. Одесса, 2001), Республиканской научно-практической конференции «Рекреационные зоны Черноморского побережья, проблемы геоэкологии и массового медико-оздоровительного использования» (г. Одесса, 2002), II Международной конференции «Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты» (г. Киев, 2003), Конференции молодых ученых по проблемам Черного и Азовского морей «Понт Эвксинский III» (г. Севастополь, 2003), Международной конференции «Интегрированное управление природными ресурсами трансграничного бассейна Днестра» (г. Кишинев, 2004), III Международной конференции «Экологическая химия» (г. Кишинев, 2005), II и III Международной конференции «Полезные ископаемые океана - комплексный подход к изучению» (г. Санкт-Петербург, 2004 и 2006), II Международной конференции «Черноморско-Средиземноморский коридор на протяжении последних 30 тысяч лет: изменение уровня моря и адаптация человека» (г. Одесса, 2006).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 9 статьях в научных журналах и сборниках научных трудов и 12 сообщений в тезисах конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из вступления, 7 разделов, выводов и списка используемых источников (158 источников на 10 страницах). Работа содержит 159 страниц текста, 69 рисунков, 16 текстовых таблиц.
Работа выполнялась на кафедре общей и морской геологии Одесского национального университета им. И.И. Мечникова под руководством кандидата геолого-минералогических наук, старшего научного сотрудника В.В. Никулина, которому автор выражает благодарность за постоянную поддержку и неоценимую помощь в процессе написания данной работы. Автор глубоко признателен доктору геолого-минералогических наук, профессору Е.П. Ларченкову за ценные советы, рекомендации и консультации, а также доктору геологических наук А.В. Чепижко и кандидату геологических наук, доценту С.В. Кадурину за помощь и сотрудничество на всех этапах работы. Автор благодарен коллективу кафедры общей и морской геологии ОНУ и коллегам по работе в Морской геолого-геофизической экспедиции Причерномор ГРГП за понимание и поддержку.
ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ
Исследования геологического строения Черноморского бассейна начались с конца XIX - начала XX столетия Н.И. Андрусовым, А.Д. Архангельским, Н.М. Страховым и др.
Во второй половине XX века научные исследования в акватории Черного моря приобретают еще больший размах, разнонаправленность и многообразие в методах изучения. В этих работах принимали участие коллективы многих научно-исследовательских институтов, учебных заведений и производственных организаций: Институт океанологии АН СССР им. П.П. Ширшова, Института геологических наук АН УССР, Московского и Одесского госуниверситетов, производственные организации «Крымгеология», «Одессморгеология», «Южморгеология» и др.
Значительный интерес представляют исследования Л.А. Невесской, П.В.Федорова, К.М. Шимкуса, Е.М. Емельянова, Э.С. Тримониса, посвященные литологии и стратиграфии донных отложений, как мелководья, так и глубоководных частей Черного моря и его истории. Проблемам тектонического строения, истории геологического развития посвящены работы М.В. Муратова, Ю.П. Непрочнова, Н.С. Благоволина, Е.Н. Невесского, Н.С. Шатского, Ф.А. Щербакова, Ю.Г. Моргунова, П.Н. Куприна и др. Обобщенные результаты исследований проблем истории развития и тектонического строения Черноморской впадины в связи с ее нефтегазоносностью изложены в работах А.В. Чекунова, А.П. Милашина, И.А. Гаркаленко, В.П. Гончарова, Ю.П. Непрочнова, А.Ф. Непрочновой, С.И. Субботина, В.Б. Соллогуба, Я.П. Маловицкого, Д.А. Туголесова, И.Н. Сулимова, И.П. Зелинского, С.А. Мороза, Е.П. Ларченкова и др.
Весомый вклад в изучение геохимических, литолого-минералогических характеристик и вещественного состава донных осадков Черного моря внесли работы Е.Ф.Шнюкова, А.Ю. Митропольского, В.П. Усенко, С.П. Ольштынского, И.И. Волкова, М.А. Глаголевой, А.А. Безбородова, В.Х. Геворкяна, Б.Ф. Зернецкого В.А. Емельянова и др.
Многолетние исследования Черного моря, проведенные под руководством академика НАН Украины Е.Ф. Шнюкова, позволили создать серию монографий «Геология шельфа УССР». Продолжением этих исследований явилось изучение строения континентального склона и Черноморской впадины в рейсах НИС «Академик Вернадский» (1988-1992), «Михаил Ломоносов» (1989), «Профессор Водяницкий» (1994, 2001), «Ихтиандр» (1993), «Киев» (1995-1997), «Топаз» (1986-2006). Причерномор ГРГП и ГГП «Одесморгеология» и проводит региональные сейсмические исследования северо-западного шельфа и континентального склона с целью выявления перспективных участков залежей углеводородов с борта НИС «Искатель», а также бурение картировочных и инженерно-геологических скважин с борта НИС «Диорит» (1997-2007).
Разнообразие и многоплановость задач геологического изучения Черноморского бассейна обусловили сложность и многообразие методик работ, особенно в шельфовой зоне. Однако при преобладающем комплексном изучении отдельных районов получение целостной картины, особенно для континентального склона и глубоководной части, было затруднено и материалы исследований носили фрагментарный характер. Ограниченность исходных данных и объемы проведенных работ, особенно в глубоководной части, до настоящего времени не позволяли дать полную, равномерную литолого-фациальную характеристику донных отложений северо-западной части Черного моря.
ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Раздел содержит общие сведения о климатических условиях изучаемой акватории, температурном режиме поверхностных и придонных вод, их солености, которой свойственна пространственно-временная изменчивость, режиме течений.
ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА МОРСКИХ ЭКСПЕДИЦИОННЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В разделе приводится методика морских, лабораторных исследований, а также методы математической и графической обработки полученных результатов.
Морские экспедиционные работы. Морские экспедиционные исследования проводились с борта НИС «Топаз» методами сейсмоакустического профилирования, донного пробоотбора прямоточной трубкой и дночерпателем. Сейсмоакустические работы включали в себя опытно-методические работы и непрерывное сейсмоакустическое профилирование (НСАП) с помощью САК-3. НСАП позволило установить основные черты геологического строения осадочного покрова на глубину до 400-500 м и тектонические особенности района. При этом была установлена морфометрия геологических тел в разрезе, их взаимоотношение, относительные размеры по мощности и абсолютные по горизонтальному положению. Уточнен рельеф морского дна, выявлены погребенные речные долины.
Донный пробоотбор прямоточной трубкой проводился на глубинах моря от 100 до 2200 м. Прямоточная трубка углублялась в грунт на глубину до 4,5 м. До глубин моря 1200-1500 м профили закладывались с севера на юг вкрест простирания основной морфоструктуры - континентального склона по сети 6,4Х3,2 км. Подножье континентального склона и глубоководная впадина исследовались по сети 12,8Х6,4 км также с севера на юг. Детализация сети производилась в связи со сложной морфологией рельефа дна и частой сменой литологических границ в донных осадках в пределах верхней части континентального склона.
Лабораторно-аналитические исследования. Состав и распределение литологических разностей донных отложений изучались на основе гранулометрического (n=1172) и минералогического анализов (n=31). Минеральный состав пелитовых фракций изучался с помощью электронно-микроскопического и рентгено-структурного анализов (ДРОН-3,0) для определения соотношения глинистых минералов, слюд, карбонатов, полевых шпатов и др. Минералогия новообразований (аутигенные минералы) изучались методами оптической микроскопии.
Комплексные исследования, включающие палеофаунистический (И.В. Чаус), диатомовый (А.П. Ольштынская) и палинологический (М.С. Комар) анализы, позволили четко стратифицировать донных отложений и выделить в них новоэвксинский горизонт, нижнечерноморский и верхнечерноморский подгоризонты верхнечетвертичной системы.
Геохимические особенности разновозрастных донных отложений изучались методом рентгено-спектрального анализа (АРФ-6). В ходе исследований было обработано и использовано 1202 результата рентгено-спектрального анализа на следующие химические элементы - Sr, U, Th, Pb, Rb, Y, Mo, Nb, Zr, Sc, As, из которых: 438 - в отложениях новоэвксинского возраста, 426 - в отложениях древнечерноморского возраста и 338 - в отложениях новочерноморского возраста. Все аналитические исследования проводились в лабораториях ГРГП «Причерноморгеология» и ИГН НАН Украины.
Обработка результатов морских и лабораторных работ. Полученные результаты обрабатывались методами математической обработки. Рассчитывались базовые статистические параметры, такие как среднее, стандартное отклонение, медианное значение.
В процессе обработки и обобщения материалов использовалось современное программное обеспечение, предназначенное для обработки данных и построения графических изображений на ПЭВМ. Автором разработаны различные варианты графического обобщения материала, что позволило построить карты донных отложений новоэвксинского, древнечерноморского и новочерноморского возраста с геологическими разрезами, а также структурно-геоморфологическую схему, схемы литофаций и распределения мощностей. Для построения автором использовались специализированные графические редакторы и ГИС-пакеты (ArcView 3.2, регистрационный номер 636780103448).
Помимо базовых статистических параметров для выделения ассоциаций химических элементов использовался метод факторного анализа (метод главных компонент), который позволил выделить ряд групп данных (факторов) каждая из которых отличается от другой по характеру распределения и способам накопления. Для построения схем распределение не одного элемента, а всей ассоциации, в состав которой могут входить различные элементы, была применена методика построения интегральных карт. Для определения основных тенденций в распространении химических элементов для донных отложений был применен метод аппроксимации карт распределения выделенных ассоциаций при помощи тренд-поверхностей.
На основе обобщения существующих данных и полученных результатов с помощью выбранных методик автором были сделаны выводы, приведенные в работе.
ОЧЕРК ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
В геологическом строении верхней части покрова района исследований принимают участие четвертичные образования, которые расчленяются на новоэвксинский и черноморский горизонты (В.Г. Иванов, 1987).
Стратиграфическая характеристика донных отложений. В разрезе отложений условно выделены две пачки - верхняя и нижняя. Верхняя пачка представлена илами, ракушечниками и песками, Эти образования установлены - на шельфе, перегибе шельфа и континентального склона и в верхней части самого склона. Нижняя пачка новоэвксинских отложений представлена глинами и развита повсеместно.
Голоценовые осадки сплошным чехлом перекрывают все нижележащие образования. Представлен голоцен отложениями черноморского горизонта, который включает два подгоризонта: нижнечерноморский и верхнечерноморский.
Нижнечерноморский подгоризонт залегает в основании голоценового разреза. Представлен он в основном сапропелем и сапропелевыми илами, изредка на бровке шельфа присутствуют терригенные илы и мелкие ракушечники.
Верхнечерноморский подгоризонт развит практически повсеместно и перекрывает все нижележащие образования. В большинстве случаев верхнечерноморские отложения залегают на образованиях нижнечерноморского подгоризонта. Но есть участки, расположенные на шельфе, на которых верхнечерноморские отложения с размывом залегает на отложениях новоэвксинского горизонта. В составе верхнечерноморского подгоризонта можно выделить несколько стратонов мелкого порядка - мидиевые илы и ракушечники (с руководящей фауной Mytilus galloprovincialis (L.), фазеолиновые илы (с руководящей фауной Modiolus phaseolinus (Phil.), кокколитовые илы, терригенные илы.
