КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-77-00086
НазваниеОзерный морфолитогенез болотных депрессий северо-востока Русской равнины: реконструкция развития Камско-Кельтминской низменности по геоморфологическим и палеолимнологическим данным
РуководительКопытов Сергей Владимирович, Кандидат географических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет", Пермский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-701 - Палеогеография
Ключевые словаДонные отложения, палеолимнология, болотные геосистемы, озерная терраса, поздний плейстоцен, голоцен, ледниково-подпрудные озера, озеро Челвинское, озеро Новожилово, бассейн верхней Камы, спиллвей
Код ГРНТИ39.19.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Заключительная фаза последнего оледенения и переход к голоцену ознаменовался целым рядом резких изменений природной среды и климата. Хотя климатические изменения хорошо выражены в ледовых кернах из полярных районов обоих полушарий, их проявления и последствия в различных районах земного шара до сих пор недостаточно изучены. В последние десятилетия пристальное внимание палеогеографов и геоморфологов привлекли гигантские приледниковые озера. Известно, что покровные ледники часто перекрывали сформированную в межледниковья речную сеть и тем самым служили подпрудами для крупных озер площадью в десятки тысяч кв. км. Развитие таких озер на протяжении длительных периодов, колебания уровня, спуск и новое наполнение котловины, функционирование осушенной депрессии, участие в глобальном переносе органического углерода в условиях климатических изменений – все это имеет недостаточную репрезентативную сеть исследований в России и мире.
В рамках проекта предполагается проведение комплексного исследования палеоархивов озерных котловин Камско-Кельтминской низменности с целью выявления пространственно-временной изменчивости процессов осадконакопления крупных болотных депрессий северо-востока Русской равнины, расположенных в зоне терминации и дегляциации равнинных четвертичных оледенений.
Упор в проекте, во-первых, будет сделан на «озерную» стадию развития депрессии: на основе донных осадков озер и отложений реликтовых ложбин стока будут реконструированы основные этапы, характер заполнения котловины приледниковыми водами, ее спуска и колебания уровня воды в ней. Наши последние исследования показали наличие в пределах Верхнекамской депрессии большого количества линий стекания, ориентированных от центра к периферии, а на Камско-Вычегодском междуречье большого количества «слепых» каналов стока, время функционирования которых в качестве водотока ограничивается началом голоцена (Назаров и др., 2020). В ходе исследований предполагается доказать или опровергнуть гипотезу о связи современных озер с системой приледниковых водоемов позднего валдая в Вычегодской низине и Верхнекамской депрессии, выявить характер этой связи: озерный или стоковый. Результаты проекта представят новые аргументы, касающиеся вопроса существования (или отсутствия) ледниково-подпрудного озера, условий его существования и деградации.
Во-вторых, предполагается установить пост-озерные параметры функционирования депрессии (после осушения котловины от приледникового озера) в зависимости от ландшафтного местоположения. Предполагается дать оценку внутриландшафтной мозаичности (пространственной дифференциации болотных и озерных геосистем, ложбин и линий стекания), выявить взаимосвязь между характеристиками рельефа и параметрами болотных и озерных вод, данными о мощности торфа, типе фитоценоза.
Впервые для данной территории будут получены количественные реконструкции ландшафтно-климатических условий на основе палеоархивов высокой информативности – озерных отложений с применением комплекса современных аналитических методов. Реконструкция условий формирования озерных отложений в Камско-Кельтминской низменности имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Первое связано с тем, все полученные материалы предыдущих лет, начиная со времени проектирования Верхнекамского водохранилища, основаны на изучении торфяников, пойм и террас рек, дренирующих низменность. До сих пор исследованию важнейших источников данных о природных обстановках прошлого – озер – не уделялось должного внимания. Не существует на сегодняшний день каких-либо сведений о строении, составе, донных отложений – осадков, накапливавшихся длительное время и с высокой степенью регулярности. При этом озерные осадки являются уникальным континентальным архивом, который по своей детальности и широте хронологического охвата может соперничать разве что с ледниками и лёссово-почвенными формациями.
Прикладное значение проекта обусловлено геоархеологическими целями, а также той «климатической» повесткой, которая сформулирована во многих российских и международных документах. Длительность функционирования деятельного слоя болота после осушки (в данном случае после исчезновения приледникового озера) могла оказать существенное влияние на увеличение переноса растворенного органического углерода из торфяных почв в водные системы (например, Frey, Smith, 2005; Hugelius et al., 2011), а вместе с этим изменились и потоки ассоциированных с органическим веществом элементов. Установление палеоландшафтных закономерностей формирования и развития обширных болотных депрессий, осушенных после исчезновения приледниковых озер, позволит тестировать различные климатические модели и палеоаналоги катастрофических событий, а также делать прогноз опасных явлений и оценку их воздействия на природную среду и человека. Таким образом, полученные в результате выполнения проекта данные имеют важное научное значение для понимания перспективы развития всего северо-востока Русской равнины, в том числе и в мировом масштабе, так как данная территория является уникальным объектом, играющим важную биосферную, регуляционную и природоохранную роль не только на уровне Пермского края.
Исследования будут основаны прежде всего на полевом и дистанционном ландшафтном и геоморфологическом картографировании (включая картографическое моделирование геосистем), а также детальном изучении полученных и уже имеющихся в распоряжении кернов озерных осадков, отложений ложбин стока, архивов террас и пойм рек, запечатлевших непрерывную летопись палеоклиматических событий. На основе анализа вещественного состава отложений (гранулометрический, исследования содержания органического углерода, диатомовый, радиоуглеродный, хирономидный, спорово-пыльцевой и др.) будут установлены генезис, механизмы, время формирования водоемов, а также рассчитаны темпы осадконакопления. С помощью ГИС-технологий и данных ДЗЗ будут выявлены пути возможного спуска озер (ложбины палеостока), а для территории Камско-Кельтминской низменности будет сформирован универсальный палеогеографический банк пространственных и тематических данных (геоинформационная база данных), структуру и наполнение которого можно использовать при планировании и реализации аналогичных исследований в других регионах, а также разработке тематических веб-сервисов.
Грантозаявитель имеет опыт полевой, лабораторной и камеральной работы в данной области исследований. По тематике исследования имеется задел. В составе различных научных коллективов с 2014 г. изучению подвергаются поймы и террасы рек региона, древние ложбины палеостока в пределах водно-болотного комплекса. В 2021 г. на оз. Чёлвинское и палеоложбинах, примыкающих к нему проведено комплексное изучение болотных и озерных геосистем методами эхолотирования, БПЛА-съемки, составлена батиметрическая карта, получены керны отложений. Образцы отправлены на гранулометрический и хирономидный анализы. Полученные в ходе реализации проекта материалы, опубликованные в различных изданиях, позволят пополнить глобальные и региональные базы данных по палеолимнологии и истории ландшафтов.
Ожидаемые результаты
1. На основе полевых и дистанционных исследований будет разработана концептуальная модель морфо- и седиментогенеза озерных котловин Камско-Кельтминской низменности в плейстоцене и голоцене на основе изучения палеоархивов ранее неизученных озер северо-востока Русской равнины. Полученные материалы, опубликованные в различных изданиях и СМИ, позволят пополнить глобальные и региональные базы данных по палеолимнологии и истории ландшафтов;
2. На основе расшифровки озерных палеоархивов Камско-Кельтминской низменности будут получены новые (палеолимнологические) данные о пространственно-временных закономерностях развития процессов дегляциации московского и валдайского ледниковых покровов на северо-востоке Русской равнины: подтверждены или опровергнуты гипотезы о существовании ледниково-подпрудного озера времени LGM в Вычегодской низине и Верхнекамской депрессии, сделаны выводы о возможности перелива в этот период ледниковых вод через Кельтминский порог – из бассейна Вычегды в бассейн Камы;
3. По данным комплексного анализа озерных кернов будут реконструированы ландшафтно-климатические условия времени формирования, развития и деградации приледникового озера. Полученные материалы будут сопоставлены с глобальными климатическими моделями и данными архивов болот и речных долин, которые уже имеются по Кельтминской ложбине, Верхнекамской депрессии, долинам верхней Камы и Вычегды. Таким образом, исследования имеют важное значение не только для северо-востока европейской части России, но и для всей Русской равнины по вопросам динамики природной среды позднего плейстоцена и голоцена.
4. Составлены типологическая карта болотных геосистем, карта сеток линий стекания болотных вод по результатам БПЛА съемки, геоморфометрического анализа цифровых моделей рельефа, обработки изображений высокого пространственного разрешения и мультиспектральных снимков, предиктивного моделирования в среде R, что позволит дать оценку внутриландшафтной мозаичности (пространственной дифференциации болотных и озерных геосистем, ложбин и линий стекания), а также выявить особенности современного (пост-озерного) функционирования территории (проследить взаимосвязь между характеристиками рельефа и параметрами болотных и озерных вод, данными о мощности торфа, свойствами почв, типе фитоценоза).
Полученные результаты будут иметь важное значение:
1. Для определения природных условий и реконструкции путей заселения древним человеком северо-востока европейской части России в плейстоцене и голоцене, поиска новых археологических памятников;
2. Для поиска месторождений нерудных полезных ископаемых (песчано-гравийные смеси, глины), имеющих ценность при проектировании и возможном строительстве железнодорожной магистрали «Белкомур»;
3. При тестировании различных климатических моделей (в том числе образования и спуска ледниково-подпрудных озер) на основе множества косвенных архивов. Исследование болотных массивов, как крупнейших резервуаров углерода на суше, имеет актуальность в свете глобального изменения климата, роста концентрации углекислого газа в атмосфере, попыток международного сообщества выработать механизмы по сокращению антропогенных выбросов СО2.
4. При формировании палеогеографической базы данных изучаемого региона и разработке веб-картографического сервиса;
5. Могут способствовать разработке плана конкретных действий по повышению охраны био- и ландшафтного разнообразия за счет палеоэкологического обоснования поддержания здесь особых условий охраны природы. В данный момент территория помимо ранга охраняемого ландшафта регионального значения «Большое Камское болото» имеет статус ключевой орнитологической территории международного уровня.
Предлагаемый проект полностью соответствует мировому уровню проведения подобных исследований. Наличие репрезентативной базы данных (БД) по донным отложениям озер имеет важное значение с точки зрения научной обоснованности прогнозов изменения климата регионального и глобального масштабов. В крупнейших палеоэкологических базах данных Пермский край представлен достаточно скудно, Так, в палеолимнологической базе данных Восточно-Европейской равнины [Syrykh et al., 2021] содержится информация о двух исследованиях, выполненных в Пермском крае; в БД PANGAEA [Diepenbroek et al., 2002] – об одном. В составе баз данных Neotoma [Williams et al., 2018], базы палеоэкологических исследований Северной Евразии [Binney et al., 2008] сведения о каких-либо исследованиях в регионе отсутствуют.
По всем перечисленным научным результатам проекта планируются: публикация научных статей в высокорейтинговых научных журналах входящих в базы данных РИНЦ, Scopus и Web of Science и в научно-популярных изданиях, выступление руководителя проекта с докладами на различных конференциях, а также популяризация результатов через СМИ.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С целью установления пост-озерных параметров функционирования болотной депрессии (котловины предполагаемого приледникового озера) за отчетный период были проведены работы, направленные на оценку внутриландшафтной мозаичности, поиск взаимосвязей между характеристиками рельефа, мощностью торфа и типом фитоценоза. Для этого на основе анализа разновременных космических снимков, цифровых моделей рельефа, материалов лесотаксации проведено картографирование реликтовых и современных геосистем в приводораздельной и болотной частях Камско-Кельтминской низменности. Акцент делался на учете геоморфометрических переменных (уклон, топографический индекс влажности, топографическая шероховатость, выположенность днищ долин и междуречных пространств, глубина долин), спектральных индексов (NDVI, NDWI) и ландшафтных местоположений. В ходе полевых работ методом геоботанического профилирования установлены фитоценотические особенности геосистем переходной зоны болото-суша.
С целью реконструкции обстановок «озерной» стадии развития Камско-Кельтминской низменности были изучены опорные колонки донных отложений озер Чёлвинское и Новожилово. Результаты проведенных аналитических исследований позволяют провести лито- и биостратиграфическое расчленение толщи озерных отложений, а также реконструировать обстановки осадконакопления. Так для колонки NZH-1 было выявлено, что высокопроточные условия соответствуют нижней части керна до глубины 7,1 м. Для этого этапа характерно поступление осадка преимущественно флювиальным путем. Выше по колонке происходит довольно резкая смена условий, состав осадка соответствует застойным условиям высокопродуктивного озера со слабым поступлением силикатного материала при помощи эолового привноса. В главных чертах такие условия сохраняются до настоящего времени. Однако в средней и верхней частях в колонке фиксируются интервалы с повышенным содержанием частиц песчаной размерности, что может говорить о росте эолового привноса. Максимальные значения магнитной восприимчивости приходятся на основание осадочной толщи в интервале глубин 6,95-8,21 м. Отрицательные значения приурочены к вышележащему осадку, в котором преобладает органическое вещество, имеющее свойства слабого диамагнетика. Небольшой рост магнитной восприимчивости наблюдается в интервале 3,2-4,0 м, что совпадает с ростом содержания песчаной фракции и отражает смену условий на финальном этапе жизни озера.
Результаты поиска криптотефры показали резко повышенное содержание частиц вулканического стекла в интервале глубин 7,3-7,6 м. По предварительной оценке, которая опирается на стратиграфическую позицию, пик криптотефры можно ассоциировать с пеплом Ведде, имеющим возраст ~ 12,1 т.л.н.
Диатомовый анализ показал отсутствие створок диатомей в образцах из интервала глубин 4,4-6,0 м, малое количество обломков створок в интервале 6,2-6,4 м, небольшое количество створок в интервале 6,8-7,6 м, большое количество створок в единственном образце с глубины 7,8 м и единичные створки в нижней части колонки – образцы 8,0 и 8,18 м. По-видимому, наиболее благоприятными условиями для вегетации диатомей и последующей хорошей консервации их панцирей характеризовался этап развития озера, соответствующий формированию слоев 7,2-8,2 м – условия мелководного слобощелочного мезотрофного водоема.
На основании полученных данных (дифференциации слоев сапропеля, плотного ила, торфа, песка, экспресс-анализа находок диатомовых водорослей, гранулометрического анализа, измерения магнитной восприимчивости, радиоуглеродного возраста отложений, а также находок вулканического стекла) можно сделать осторожный вывод о неравномерности заполнения котловины озера. Начало формирования озерных осадков (сапропеля) приходится на поздний дриас. Период, предшествующий началу накопления гиттии, характеризуется ритмичностью лимнологических обстановок – чередованием в разрезе слойков ила, торфа и песка.
Отсутствие в кернах скважин сапропеля и ила может быть косвенным фактором относительной «молодости» участка озера, а присутствие мощных толщ органогенно-минеральных слоев, наоборот, показателем длительной истории формирования и смены фациальных обстановок.
В течение позднеледниковья – голоцена чаша водоема меняла свой уровень и, как следствие, площадь. Можно предположить, что в позднеледниковье в пределах Камско-Кельтминской низменности существовало большое количество небольших по площади неглубоких водоемов, часть которых позднее соединилась до размеров современных озер, а часть исчезла, осушив свои котловины. Расширение озер могло быть связано с процессами трансформации флювиальных систем в бассейне Верхней Камы в переходный период позднего плейстоцена и голоцена, изменением баланса эрозии и аккумуляции. На это указывает смена обстановок минерального вещества с преимущественно флювиального в позднем дриасе на эоловый в течение голоцена.
За отчетный период руководитель и исполнитель проекта приняли участие в трех российских конференциях, где выступили с устными докладами по результатам проекта. Опубликовано 5 статей различного уровня, в том числе 1 из списка RSCI
Публикации
1. Копытов С.В., Санников П.Ю., Мехоношина Е.А. Предварительные результаты палеолимнологических исследований на озере Новожилово (Камско-Кельтминская низменность, бассейн Верхней Камы) Современные проблемы водохранилищ и их водосборов: труды IX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, С. 114-119 (год публикации - 2023)
2. Мехоношина Е.А. Методика проведения диатомового анализа: основные положения Экологическая безопасность в условиях антропогенной трансформация природной среды: материалы всероссийской научной конференции молодых ученых, посвященной памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка, С. 149-152 (год публикации - 2023)
3. Назаров Н.Н., Копытов С.В., Абдулманова И.Ф., Белоусова А.П., Фролова И.В. Скорость наступления болотных геосистем на сосняк-беломошник (на примере Большого Камского болота, Предуралье) Географический вестник, №1. С. 17–29 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17072/2079-7877-2023-1-17-29
4. Пехтерева М.К. Реконструкция экологического состояния среды в прошлом. Антракологический метод Экологическая безопасность в условиях антропогенной трансформация природной среды: материалы всероссийской научной конференции молодых ученых, посвященной памяти Н.Ф. Реймерса и Ф.Р. Штильмарка, С. 168-171 (год публикации - 2023)
5. Чернов А.В., Копытов С.В., Лычагина Е.Л. Взаимодействие общества с природой на ранних стадиях развития цивилизации (особенности освоения речных долин неолитическим человеком) Симферополь: ИТ «АРИАЛ», С. 47-52 (год публикации - 2022)
6. - Начался новый этап исследования истории формирования перигляциальной зоны на севере Прикамья Официальный портал Русского географического общества, - (год публикации - )
7. - Молодые ученые Пермского университета получили гранты РНФ Пермский информационный портал БЕZФОРМАТА, - (год публикации - )
8. - Молодые ученые Пермского университета получили гранты РНФ Официальный сайт Пермского государственного национального исследовательского университета, - (год публикации - )
9. - Ученые Пермского университета и Института географии РАН вернулись из экспедиции с севера Прикамья Официальный сайт Пермского государственного национального исследовательского университета, - (год публикации - )
10. - Экспедиция Пермского университета и Института географии РАН изучила озера севера Прикамья Официальный портал Русского географического общества, - (год публикации - )
11. - Диатомовые водоросли и их роль в реконструкциях климатических изменений. Магистрант ПГНИУ провела исследования в Институте географии РАН Официальный сайт Пермского государственного национального исследовательского университета, - (год публикации - )