CC BY
124
УДК 551.351.2 (265.51)
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 4
В. В. Мотычко, А. Ю. Опекунов, С. Р. Котов, В. А. Щербаков, А. О. Карташев, В. М. Константинов, Г. Н. Соколов
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И СОСТАВ ДОННЫХ ОСАДКОВ ЮЖНО-КУРИЛЬСКОЙ СУБАКВАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Введение. Курильские острова — один из наиболее удаленных от центра Российской Федерации районов. На островах расположено три муниципальных округа: Северо-Курильский, Курильский и Южно-Курильский. Южно-Курильский округ характеризуется максимальной среди других численностью населения — 10 000 человек — и плотностью — 5,3 чел. на км2. Основные виды хозяйственной деятельности — добыча леса, деревообработка, рыболовство и переработка рыбы, мясное и молочное животноводство. В настоящее время на о. Кунашир начата разработка Прасоловского золоторудного и Удачного серебряного месторождений.
Существенно, что в пределах Южно-Курильского района представлен широкий спектр полезных ископаемых, включающих сухопутные (коренное золото) и при-брежно-морские (россыпи и россыпепроявления титаномагнетитовых песков) месторождения, а также морские (перспективы на сульфиды, находки металлоносных осадков, гидротермальных корок, гидрогенных конкреций) проявления. Планируется бурение параметрической скважины и возможна в перспективе добыча углеводородов на шельфе Южно-Курильского пролива. Все это — свидетельство возможности интенсивного промышленного развития района в ближайшем будущем.
Рост хозяйственной активности на Курильских островах создает риски загрязнения морской акватории. Учитывая особенности природной среды островов и высокую сейсмическую опасность района, химическое воздействие может быть вызвано двумя основными причинами. Первая — постепенное загрязнение морской среды, связанное с деятельностью промышленных предприятий и развитием коммунально-бытового сектора. Вторая — мощное, но кратковременное воздействие на морскую среду, вызванное разрушением хозяйственной инфраструктуры в результате землетрясений, активизации вулканической деятельности, цунами. Возникает
Мотычко Виктор Васильевич — кандидат геолого-минералогических наук, ФГУП «ВНИИОкеан-геология им. И. С. Грамберга»; e-mail: [email protected]
Опекунов Анатолий Юрьевич — доктор геолого-минералогических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет; e-mail: [email protected]
Котов Сергей Робертович — кандидат геолого-минералогических наук, ФГУП «ВНИИокеангео-логия им. И. С. Грамберга»; e-mail: [email protected]
Щербаков Виктор Александрович — ФГУП «ВНИИокеангеология им. И. С. Грамберга»; e-mail: [email protected]
Карташев Александр Олегович — ФГУП «ВНИИокеангеология им. И. С. Гранберга»; e-mail: [email protected]
Константинов Владимир Михайлович — ФГУП «ВНИИокеангеология им. И. С. Грамберга»; e-mail: [email protected]
Соколов Георгий Николаевич — ФГУП «ВНИИокеангеология им. И. С. Грамберга»; e-mail: [email protected]
© В. В. Мотычко, А. Ю. Опекунов, С. Р. Котов, В. А. Щербаков, А. О. Карташев, В. М. Константинов, Г. Н. Соколов, 2013
необходимость формирования системы экологического мониторинга состояния морских акваторий, прилегающих к Южно-Курильскому району, одна из задач которого — выявление фоновых (исходных) характеристик состава донных осадков до начала промышленного освоения района.
Целью настоящей работы явилось определение фоновых показателей геологической среды морских акваторий на основе изучения закономерностей осадконако-пления и состава современных донных отложений Южно-Курильской субаквальной системы, в которую входят две прибрежно-шельфовых зоны (ПШЗ): Охотоморская и Прикурильская.
Методика работ. Исследования проведены в 2011 г. за счет средств федерального бюджета на НИС «Профессор Гагаринский». В ходе полевых работ выполнено более 60 станций донного пробоотбора (рис. 1). Опробование проводилось в основ-
Изобаты в метрах ю*«^™™*« Населённые пункты \—"""*' ^ Государственная
\ граница
Рис. 1. Карта фактического материала.
ном дночерпателем <^ап^ееп-01». В районах с сильными придонными течениями, после неудачных попыток отбора пробы дночерпателем, использовалась драга, которая поднимала пробы любых типов осадков вплоть до элювиальных обломков и валунов размером до 30-60 см.
Определение гранулометрического и вещественного состава проводилось в лабораториях ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И. С. Грамберга». Выполнен 13-фрак-ционный гранулометрический анализ. Минералогический состав донных осадков определялся во фракции более 0,05 мм. Содержание металлов изучалось методом количественного спектрального анализа на комплексе СТЭ-1. В качестве оценки от-сортированности осадков использована энтропийная мера сортировки (Hr) [1].
Обсуждение результатов. Охотоморская ПШЗ примыкает к северо-западному побережью о. Кунашир и простирается до глубин около 1000 м (в пределах участка работ). Она представляет собой эрозионно-денудационный склон плиоцен-четвертичного возраста с наклоном от 2-5 до 20° и более. Рельеф — очень контрастный, осложненный провалами, уступами и конусообразными вулканическими постройками.
Прикурильская ПШЗ охватывает площадь аккумулятивно-абразионной поверхности шельфа между островами Кунашир, Шикотан и группой малых островов Ха-бомаи. По характеру форм рельефа, их морфологической выраженности, преобладающему действию рельефообразующих эндогенных и экзогенных процессов в ней выделяются два морфоструктурных района. Южно-Курильский район представляет собой полого всхолмленную, чашеобразную, слабо наклоненную к северо-востоку и слабо расчлененную поверхность аккумулятивной равнины Южно-Курильского пролива на глубинах 50-100 м. На юге и юго-востоке она сочленяется с невысоким крутым склоном северо-восточного Малокурильского поднятия на глубинах 2040 м. Отдельные участки равнины имеют в плане прямоугольные очертания, предопределенные продольными и поперечными тектоническими разломами. Малокурильский район охватывает о. Шикотан и группу малых островов, надводных скал и сопряженные участки преимущественно абразионной поверхности шельфа.
Материалы эхолотирования свидетельствуют о широком развитии на дне изученного района погруженных абразионных морских террас. Их фрагменты встречены на разных глубинах — 78-86 м (Охотоморская ПШЗ), 29-42 и 20-25 м (Южно-Курильский пролив). В пределах подводного берегового склона о. Кунашир, обращенного к проливу Екатерины, а также в сторону Южно-Курильского пролива террасы обнаружены на глубинах менее 12 м в верхней части подводной абразионно-аккумулятивной равнины, сложенной с поверхности средне- и крупнозернистыми песками.
В изученном районе выделено три основных типа берегов: абразионные, абра-зионно-аккумулятивные и аккумулятивные (рис. 2). На островах Малой Курильской гряды преимущественно развиты абразионные берега. На о. Кунашир встречаются все три типа.
Распределение и состав донных отложений зависят от характера источников осадочного материала и особенностей литодинамических процессов (см. рис. 2). Основным источником обломочного вещества (за исключением выбросов пирокла-стики при извержениях вулканов) служит абразия берегов. Ее интенсивность определяется значительными уклонами верхней части поверхности шельфа, большой
_ пигиодь наносив в
" а — летних и б — зимних муссонов
Рис. 2. Состав донных отложений с элементами лито- и гидродинамики.
энергией волнения и сложением многих участков побережья туфогенными породами, легко поддающимися выветриванию [2]. Поступление материала с речным стоком крайне незначительно из-за отсутствия крупных рек. Мобилизация и перенос материала в условиях горного рельефа приводят к поступлению в водный бассейн в основном крупнообломочного материала — продуктов разрушения вулканогенных пород. Из-за короткого пути переноса этого материала в бассейн седиментации и незначительного времени переработки и дезинтеграции склоновыми или русловыми процессами этот материал в целом отличается плохой отсортированностью и низкой степенью окатанности.
На шельфе проявляется высокая гидродинамическая активность — суммарное воздействие волнения, постоянные и приливные течения, скорости которых могут достигать 5 м/сек, что обусловливает транзит тонких фракций и широкое развитие на дне грубообломочных отложений и бенча. Однако наравне с низкой степенью от-сортированности грубых осадков встречаются участки с глубокой дифференциацией песчаных отложений по удельному весу, приводящей к формированию скоплений тяжелых минералов. Эта особенность подчеркивалась и другими исследователями [3]. В мелкозернистых песках береговой зоны вулканических островов и других фациальных условиях в осадконакоплении отмечается высокий выход тяжелой фракции, в которой доминирует магнетит (до 70-90%). Однако при переходе к более крупным разностям (крупно-среднезернистым пескам) их сортировка ухудшается. Среди тяжелых минералов преобладают пироксены (во фракции мелкого песка до 70%).
На основе донного пробоотбора, визуальных описаний поднятых проб и гранулометрического анализа в исследованной акватории выделено четыре основных типа донных отложений (см. рис. 2): валунно-гравийно-галечные миктиты, гравийные крупно-среднезернистые пески, мелкозернистые пески и алевропелиты. Валунно-гравийно-галечные отложения (миктиты) приурочены к зонам высокой гидродинамической активности — узким проливам Екатерины и Малой Курильской гряды, где суммарные скорости постоянных и приливно-отливных течений могут достигать 5-7 м/сек. Кроме того, вытянутые поля этих отложений на мелководье часто сопряжены с абразионными участками берега, что особенно типично для островов Малой Курильской гряды. Зачастую в миктитах присутствуют средне- и крупнозернистые пески (до 20-30%), а также ракушечный детрит. Возможно, в прибрежной зоне в поле образования миктитов развиты участки бенча. Это абсолютно несортированные осадки, которые часто бронируют от размыва залегающий ниже мелкозернистый осадочный материал. Галька и мелкие валуны различной (как правило, средней) степени окатанности являются продуктом истирания вулканогенно-осадочных мезо-кайнозойских пород.
Средне- и крупнозернистые пески, наряду с мелкозернистыми, являются самым распространенным типом донных отложений исследованного района, узкой полосой протягивающихся на мелководье Охотоморской ПШЗ, а глубже они сменяются мелкозернистыми песками. На севере участка работ пески, по всей видимости, являются переходными от валунно-гравийно-галечных миктитов прол. Екатерины к мелкозернистым пескам и алевропелитам. С увеличением глубины как в прибрежной зоне о. Кунашир, так и на мелководье островов Малой Курильской гряды этот тип осадков постепенно сменяется гравийно-галечными отложениями. Как правило, эти осадки содержат до 10-15% фракции мелкозернистых песков (0,25-0,1 мм) и крупных алевритов (0,1-0,05 мм), в то время как мелкие алевриты и пелиты не превышают 3-5%.
Средне- и крупнозернистые пески с гравием встречены на подводном береговом склоне островов Кунашир и Шикотан. Характерны они и для подводных склонов островов Танфильева и Зеленый (Малая Курильская гряда) [4]. Эти осадки фиксируются также в более глубоководных районах, слагая локальные положительные формы рельефа.
Мелкозернистые пески широко распространены в пределах Охотоморской и Прикурильской ПШЗ. В районе Южно-Курильского пролива они занимают более
половины площади дна. В Охотоморской ПШЗ пески начинаются с глубин 30-50 м, смена которых на более тонкие или более грубые (пролив Екатерины) отложения происходит на глубинах 100-200 м. Содержание фракции 0,1-0,25 мм колеблется в пределах 50-70%, достигая более 80%. Это наиболее сортированные отложения изученного района. Как правило, пески здесь не содержат каких-либо примесей. В отдельных пробах содержание пелита может достигать 3-5%, а иногда наблюдаются включения гравия и ракушечного детрита.
Алевропелитовые отложения в пределах района исследований отмечены лишь на 4 станциях пробоотбора на глубинах более 100-150 м в Охотоморской ПШЗ. В северной части района они выделены условно. Цвет илистых осадков черный, иногда бурый. В целом это плохо сортированные, смешанные осадки, где собственно пелитовая фракция (35-49%) лишь незначительно преобладает над алевритовой (34-46%) и песчаной (6-25%), т. е. отложения представлены песчано-алеврито-пелитовыми миктитами. Выраженное накопление пелитовой фракции отмечается глубже 120 м в Охотоморской ПШЗ в гидродинамически спокойных условиях.
Расчет энтропийной меры сортировки осадков позволяет говорить, что преобладающие в северо-восточной части Прикурильской ПШЗ мелкозернистые пески относятся в основном к плохо сортированным и несортированным отложениям (Hr = 0,55-0,82). В юго-западной части средне- и крупнозернистные пески принадлежат к умеренно и плохо сортированной группам осадков (Hr = 0,47-0,72). В пределах Охотоморской ПШЗ отложения относятся к плохо сортированным и несортированным (Д. = 0,63-0,80).
На основе анализа процессов гидро- и литодинамики, а также гранулометрического состава осадков можно сделать вывод о том, что практически весь изученный район лежит в области размыва донных отложений и транзита осадочных частиц. Мощные реверсивные приливно-отливные и постоянные течения вымывают с поверхности дна проливов Екатерины и Малой Курильской гряды практически весь песчаный и алевропелитовый материал. В пределах Южно-Курильского района (Южно-Курильский пролив) в диапазоне глубин 40-200 м, где развиты мелкозернистые пески, отмечается транзитно-аккумулятивная обстановка осадконакопления, сменяющаяся на аккумулятивно-транзитную и транзитную на меньших глубинах в направлении островов Кунашир и Малой Курильской гряды, а также прол. Измены, разделяющего российские и японские территориальные воды. Аккумуляция песчаного и гравийно-галечного материала происходит в основном в пределах береговой зоны. Накопление алевропелитовых фракций фиксируется на глубинах более 150 м на островном склоне Охотоморской ПШЗ. Сложный литодинамический режим предопределяет низкую степень отсортированности отложений.
Минералогический состав донных отложений изучался во фракции крупнее 0,05 мм. Легкая фракция осадков представлена вулканическим стеклом, плагиоклазами и кварцем. Состав тяжелых минералов определяется группой факторов, к главным из которых относятся состав пород питающих провинций, геоструктурное положение бассейна, тектонический режим, климат и гидродинамика. Основные источники осадочного материала — острова, которые сложены верхнемеловыми, палеогеновыми (о. Шикотан) и неоген-четвертичными (о. Кунашир) вулканогенными породами, преимущественно андезито-базальтами, дацитами, их туфами и вулканогенно-
осадочными образованиями. Действующие вулканы о. Кунашир поставляют пирокла-стический материал на прилегающие участки шельфа.
Тяжелая фракция представлена несколькими основными минералами. Пирок-сены, как основа тяжелой фракции (43,7-99,5%), состоят из диопсид-авгита и гиперстена приблизительно в равных соотношениях. Они имеют размер 0,05-1,5 мм и встречаются в качестве слабо окатанных зерен неправильной формы, а также в виде призматических кристаллов и их обломков. Содержание магнетита (титано-магнетита) меняется от 2 до 16%, а размер составляет 0,05-0,3 мм. Он представлен неокатанными и слабо окатанными зернами неправильной формы, реже кристаллами октаэдрической формы. Оливин в концентрациях 20-34% встречен всего в трех пробах (остальные — в знаках) в виде бледно-желтых изометричных слабо окатанных зерен хризолита размером 0,1-1,5 мм, часто с включением магнетита различной крупности. Все три пробы приурочены к прибрежному мелководью близ вулкана Тятя, что говорит о поступлении оливина при извержениях. Эпидот выделен в одной пробе (2012), взятой вблизи м. Лесистого, где его содержание составляет более 50% веса тяжелой фракции. В первых процентах в двух пробах присутствует амфибол и в пяти — ильменит. Знаковые содержания установлены для граната, хромшпи-нелидов, лимонита, гематита, циркона и рутила.
К основной особенности современных донных отложений относится высокое содержание тяжелых минералов — до 318 кг/т (рис. 3). Пироксены и магнетит явля-
Рис. 3. Содержание фракции тяжелых минералов в донных осадках.
ются главными компонентами, иногда даже более важными, чем минералы легкой фракции. Основным источником поступления магнетита служат интенсивно размываемые береговые уступы, сложенные слабосцементированными отложениями Головнинского осадочно-вулканогенного комплекса, являющегося рудогенерирую-щим для магнетитовых россыпей южной части о. Кунашир. Характерным примером служит коса Весло, где прибрежные и пляжевые отложения почти на 100% представлены тяжелыми минералами (главным образом магнетитом), образуя крупное россыпное месторождение. В целом более эффективно процессы минералогической сепарации протекают на участках прибрежного мелководья и пляжа при повышенной гидродинамической активности и выносе легких минералов.
Сравнение распределения суммы тяжелых минералов — пироксенов и магнетита — показывает, что первые концентрируются в основном в юго-западной части Южно-Кунаширского пролива на глубинах 20-50 м, магнетит, как более тяжелый, доминирует на прибрежном мелководье юго-восточной части о. Кунашир (глубины до 20 м), где его концентрация достигает 43 кг/т. Содержание тяжелых минералов в Охотоморской ПШЗ крайне невелико из-за малого объема осадочного материала, поступающего в береговую зону при абразии пород андезито-дацитового состава, а также его слабой дезинтеграции на пути переноса.
В донных отложениях исследованного района было изучено содержание металлов (Со, Сё, Сг, Си, Fe, Мп, N1, РЬ, Нд, V, Zn) и Аз (таблица), составлены моноэлементные карты, рассчитаны статистические параметры содержания, выполнен факторный анализ методом главных компонент (рис. 4), построены схемы распределения значений факторов в донных осадках. Из анализа моноэлементных карт по характеру распределения можно выделить две группы микроэлементов. В первую входят Си, N1, Сг, Со, Сё, Аз, РЬ. Они в равной степени накапливаются как в тонко-
Статистические показатели содержания металлов и мышьяка (мг/кг) в донных осадках
№№ п/п Статистические характеристики
Ингредиент среднее минимум максимум коэффициент вариации Кк
1. Ртуть 0,014 0,005 0,034 63 0,47
2. Мышьяк 8 1 13 43 6,7
3. Кадмий 3 1 7 50 30
4. Кобальт 22 14 30 21 2,4
5. Хром 99 40 170 40 2,8
6. Медь 121 51 240 37 4,8
7. Железо 49300 28000 75000 27 1,0
8. Марганец 1550 530 3100 40 3,9
9. Никель 41 21 76 32 1,2
10. Свинец 30 15 47 22 2,3
11. Ванадий 136 100 190 20 4,5
12. Цинк 242 130 390 32 6,1
Примечание: Кк — кларк концентрации
Рис.4. Нагрузки микроэлементов в структуре главных факторов. I (35%) — номер фактора и его вес.
дисперсных, так и крупнообломочных осадках. Такая особенность распределения свидетельствует, что в субаквальной Южно-Курильской системе микроэлементы в равной мере накапливаются в осадках как за счет адсорбции пелитовыми частицами и органическим веществом (Охотоморская ПШЗ), так и в составе тяжелых минералов в грубозернистых отложениях (Курильская ПШЗ). Вторая группа представлена Mn, Fe, Zn, концентрирующимися преимущественно в песчаных осадках в составе тяжелых минералов. Гетерогенный характер распределения обусловливает высокий кларк концентрации (Кк) микроэлементов, особенно у Cd, As, Zn, Си, V. Исключение составляет выраженное накопление которой отмечается только в пелитовой фракции.
Результаты анализа содержания микроэлементов методом главных компонент факторного анализа позволили выделить следующие закономерности. Первый фактор определяет дифференциацию двух групп микроэлементов: халькофильных и сидерофильных. Максимальные значения халькофильных элементов наблюдаются в мелких алевритах и пелитах. В первую очередь это относится к склоновым осадкам Охотоморской ПШЗ. Ареной накопления сидерофильных элементов служат участки средне-крупнозернистых песков в Прикурильской ПШЗ, где отмечается высокое содержание тяжелой фракции. Показательной является мелководная часть (до 50 метров) Южно-Курильского пролива. Данная закономерность достаточно четко наблюдается при сравнении моноэлементных карт. К переходным зонам относятся М, Cd, & и Pb, распределение которых не имеет однозначной и четкой связи ни с гранулометрическим, ни с минералогическим составом донных отложений. Второй фактор можно интерпретировать как вещественный. Он дифференцирован по М и Сг, поступающим в акваторию из разных геологических комплексов. Вероятно, накопление в осадках Сг происходит под влиянием габброидов шикотанского и большекурильского интрузивов, М ассоциируется в основном с базальтами, рас-
пространенными в пределах большекурильского и малокурильского вулканогенно-осадочных комплексов.
Выводы. Формирование донных осадков Курильской шельфовой зоны характеризуется рядом особенностей.
1. В строении Прикурильской шельфовой области выделяется две разные по строению и условиям осадконакопления прибрежно-шельфовых зоны: Охотомор-ская глубоководная аккумулятивная и Прикурильская мелководная аккумулятивно-абразионная.
2. Накопление осадочного материала осуществляется в основном не с речным стоком, а является следствием абразии берегов и периодического извержения вулканов; практически весь рассматриваемый район шельфа относится к транзитной зоне, обеспечивающей вынос тонкодисперсного материала, а в его составе и загрязняющих веществ за пределы шельфа.
3. Склон Охотоморской ПШЗ до глубин 120-150 м покрывают пески от мелкозернистых до крупно-среднезернистых, глубже развиты турбидиты — песчанистые алевропелиты и пелиты. В Южно-Курильском районе осадки представлены исключительно разнозернистыми песками верхнеплейстоцен-голоценового возраста. В Малокурильском районе, в силу активной гидродинамики, донные отложения представлены главным образом грубозернистым материалом — гравием и галькой, а вблизи островов — валунно-глыбовым и скальным бенчем пород верхнего мела. Грубообломочный материал выстилает дно пр. Екатерины, разделяющего о-ва Куна-шир и Итуруп.
4. Геологическое строение района (вулканизм, россыпепроявления, разломная тектоника и т. д.), а также активная литодинамика служат причиной формирования на дне породных, рудных и барьерных геохимических аномалий. Техногенное воздействие на современном этапе развития в донных осадках не выявлено.
Литература
1. Романовский С. И. Седиментологические основы литологии. Л.: Недра, 1977. 408 с.
2. Павлидис Ю. А., Никифоров С. Л. Обстановки морфолитогенеза в прибрежной зоне Мирового океана. М.: Наука, 2007. 455 с.
3. Долотов Ю. С. Динамические обстановки прибрежно-морского рельефообразования и осадконакопления. М.: Наука, 1989. 269 с.
4. Таупек Н. Ю. Популяционно-биологический анализ двустворчатых моллюсков Южно-Курильского мелководья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Владивосток, 2006. 24 с.
Статья поступила в редакцию 19 июня 2013 г.
