Gravity flows in late quaternary deposits of the north-western Russia (Kola Region) and their possible relationship with pleistocene earthquakes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The lithological features of Late Quaternary deposits formed during the marine isotope stage MIS 3 in the Ura River valley on the Barents Sea coast of the Kola region (North-Western Russia) have been studied. Seismically induced structures were revealed and preserved in sandy-clayey sediments in the form of five deformed SSDS layers separated by undisturbed deposits. These layers include load casts, flame structures, injections, sedimentary breccia, and folds. The SSDS were formed because of several reasons, i.e., debris flows originated from the shear tensions in sub-aqueous settings, pressure of the overlying deposit weight, and liquefaction. Seismic shock and aftershocks would have served as the most possible trigger to spread the gravitational flow activity and initiate the processes of liquefaction and fluidization. The seismic waves may have been caused by the tensions at the front of the advancing Weichselian Ice Sheet in MIS 2. We consider the reactivated large Karpinsky oblique-slip fault separating the Baltic Shield from the Barents Sea Plate as a main seismogenic zone.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. B. Nikolaeva

Geological Institute of the Kola Science Center RAS

Author for correspondence.
Email: s.nikolaeva@ksc.ru
Russian Federation, Fersmana str., 14, Apatity, Murmansk region, 184209

D. S. Tolstobrov

Geological Institute of the Kola Science Center RAS

Email: d.tolstobrov@ksc.ru
Russian Federation, Fersmana str., 14, Apatity, Murmansk region, 184209

References

  1. Ботвинкина Л.Н. Методическое руководство по изучению слоистости. М.: Наука, 1965. 259 с. (Тр. ГИН АН СССР. Вып. 119)
  2. Вашков А.А., Носова О.Ю., Толстобров Д.С. Краевые ледниковые образования в бассейне р. Цага (западная часть Кольского полуострова) // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2021. № 18. С. 74–78. https://doi.org/10.31241/FNS.2021.18.013
  3. Годзиковская А.А., Асминг В.Э., Виноградов Ю.А. Ретроспективный анализ первичных материалов о сейсмических событиях, зарегистрированных на Кольском полуострове и прилегающей территории в XXI веке. М.: Ваш полиграфический партнер, 2010. 130 с.
  4. Гудина В.И., Евзеров В.Я. Стратиграфия и фораминиферы верхнего плейстоцена Кольского полуострова. Новосибирск: Наука, 1973. 145 с.
  5. Градзиньский Р., Костецкая А., Радомский А., Унруг Р. Седиментология / Пер. с польского. М.: Недра, 1980. 646 с.
  6. Евзеров В.Я. Формирование и размещение месторождений легкоплавких глин северо-восточной части Балийского щита / Препринт научного доклада. Апатиты, 1988. 40 с.
  7. Евзеров В.Я. Породные парагенезисы флювиогляциальных дельт (на примере крайнего северо-запада России) // Литология и полез. ископаемые. 2007. № 6. С. 563–574.
  8. Евзеров В.Я. Строение и формирование внешней полосы одного из поясов краевых образований поздневалдайского ледникового покрова в Кольском регионе // Вестник Воронежского государственного университета. Серия Геология. 2015. № 4. С. 5–12.
  9. Евзеров В.Я. Геология четвертичных отложений Кольского региона. Мурманск: Изд-во МГТУ, 2016. 210 с.
  10. Евзеров В.Я., Кошечкин Б.И. Плейстоценовая палеогеография западной части Кольского полуострова. Л.: Наука, 1980. 105 с.
  11. Каган Л.Я. Диатомовые водоросли Евро-Арктического региона. Аннотированная коллекция: древние и современные морские и пресноводные. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2012. 209 с.
  12. Карта четвертичных отложений с элементами геоморфологии Мурманской области 1989. Масштаб 1:500000 / Ред. В.Я. Евзеров. Апатиты: Архив Геологического института КНЦ РАН, 1989. https://doi.org/10.31241
  13. Колька В.В. Некоторые аспекты формирования ленточных глин на Северо-востоке Балтийского щита // Известия РГО. 2004. Т. 136. Вып. 5. С. 69–78.
  14. Лаврова М.А. Четвертичная геология Кольского полуострова. Л.: Изд-во АН СССР, 1960. 234 с.
  15. Лаврушин Ю.А. Основы современной концепции строения и формирования отложений краевых образований плейстоценовых ледниковых покровов// Бюлл. комиссии по изучению четвертичного периода. 2021. № 79. С. 38–70.
  16. Лаврушин Ю.А. Гляциодинамическая модель постседиментационного возникновения ленточной структуры в отложениях четвертичных водных бассейнов в окрестностях Санкт-Петербурга // Бюлл. комиссии по изучению четвертичного периода. 2023. № 81. С. 39–60.
  17. Николаева С.Б. Сейсмогенные деформации в отложениях раннеголоценовой террасы реки Печенга (Кольский полуостров) // ДАН. 2006. Т. 406. № 1. С. 69–72.
  18. Николаева С.Б. Сейсмиты в позднеплейстоцен-голоценовых осадках северо-запада Кольского региона (северная часть Балтийского щита) // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. № 7. С. 830–839.
  19. Николаева С.Б. Отражение палеосейсмических событий в позднеплейстоцен-голоценовых отложениях террас озера Имандра (Кольский регион) // Геоморфология. 2021. Т. 52. № 1. С. 86–99. https://doi.org/10.31857/S0435428121010119
  20. Николаева С.Б., Вашков А.А. Гляцио- и сейсмотектонические структуры на восточной окраине Фенноскандинавского щита: проблемы типизации и критерии выделения // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2022. Т. 19. С. 260–265. https://doi.org/10.31241/FNS.2022.19.047
  21. Поляков А.С. Гранулированные среды и седиментогенез // Общая и региональная геология, геология морей и океанов, геологическое картирование. М.: Геоинформмарк, 2001. 59 с.
  22. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Т. 1. М., 1962. 212 с.
  23. Толстобров Д.С., Толстоброва А.Н., Колька В.В., Корсакова О.П., Субетто Д.А. Возможные следы голоценовых цунами в озерных отложениях в районе пос. Териберка (Кольский полуостров) // Труды Карельского научного центра РАН. 2018. № 9. С. 92–102. http://dx.doi.org/10.17076/lim865
  24. Boggs Sam Jr. Principles of sedimentology and stratigraphy. New Jersey, Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1995. 774 p.
  25. Brandes C., Winsemann J. Soft-sediment deformation structures in NW Germany caused by Late Pleistocene seismicity // Int. J. Earth Sci. 2013. V. 102. P. 2255–2274. https://doi.org/10.1007/s00531-013-0914-4
  26. Brandes C., Steffen H., Sandersen P.E., Wu P., Winsemann J. Glacially induced faulting along the NW segment of the Sorgenfrei-Tornquist Zone, northern Denmark: Implications for neotectonics and Lateglacial fault-bound basin formation // Quat. Sci. Rev. 2018. V. 189. P. 149–168. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2018.03.036
  27. Farrell K.M., Harris W.B., Mallinson D.J., Culver S.J., Riggs S.R., Pierson J., Sele-Trail J.M., Lautier J.C. Standardizing texture and facies codes for a process-based classification of clastic sediment and rock // J. Sed. Res. 2012. V. 82. P. 364–378. https://doi.org/10.2110/jsr.2012.30
  28. Gruszka B., Zielinski T. Gravity flow origin of glaciolacustrine sediments in a tectonically active basin (Pleistocene, Central Poland) // Annales Societatis Geologorum Poloniae. 1966. V. 66. P. 59–81.
  29. Gruszka B., Van Loon A.J. Pleistocene glaciolacustrine breccias of seismic origin in an active graben (Central Poland) // Sediment. Geol. 2007. V. 193. P. 93–104. https://doi.org/10.1016/J.SEDGEO.2006.01.009
  30. Hempton M.R., Dewey J.S. Earthquake-induced deformational structures in young lacustrine sediments, East Anatolian Fault, south-east Turkey // Tectonophysics. 1983. V. 98. P. 14–17.
  31. Kleman J., Hättestrand C., Borgstrm I., Stroeven A. Fennoscandian palaeoglaciology reconstructed using a glacial geological inversion model // J. Glaciol. 1997. V. 43. № 144. P. 283–299.
  32. Kolka V., Tolstobrov D., Corner G.D., Korsakova O., Tolstobrova A., Vashkov A. Isolation basin stratigraphy and Holocene relative sea-level change on the Barents Sea coast at Teriberka, Kola Peninsula, №rthwestern Russia // The Holocene. 2023. V. 33. № 9. P. 1060–1072. https://doi.org/10.1177/09596836231176489
  33. Korsakova O. Formal stratigraphy of the Neopleistocene (Middle and Upper/Late Pleistocene) in the Kola region, NW Russia // Quat. Int. 2019. V. 534. P. 42–59. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2019.03.007
  34. McCalpin J.P. Paleoseismology / 2nd ed. Amsterdam, London: Acad. Press, 2009. 615 p. (Intern. Ser. 95)
  35. Middleton G.V., Hampton M.A. Sediment gravity flows: mechanics of flow and deposition // Turbidites and Deep Water Sedimentation / Eds G.V. Middleton, A.H. Bouma. Anaheim, California, SEPM, 1973. P. 38.
  36. Montenat C., Barrier P., d’Estevou P.O., Hibsch C. Seismites: An attempt at critical analysis and classification // Sediment. Geol. 2007. V. 196. P. 5–30.
  37. Moretti M., Sabato L. Recognition of trigger mechanisms for soft-sediment deformation in the Pleistocene lacustrine deposits of the Sant-Arcangelo Basin (Southern Italy): Seismic shock vs. overloading // Sediment. Geol. 2007. V. 196. P. 31–45.
  38. Moretti M., van Loon A.J. Restrictions to the application of ‘diagnostic’ criteria for reognizing ancient seismites //Journal of Palaeogeography. 2014. V. 3. № 2. P. 62–173. https://doi.org/10.3724/SP.J.1261.2014.00050
  39. Morner N.-A. Paleoseismicity of Sweden: A Novel Paradigm. P&G-unit Stockholm: Stockholm Univ., 2003. 319 p.
  40. Nikolaeva S.B., Rodkin M.V., Shvarev S.V. Late Glacial and postglacial seismicity in the Northeastern Fennoscandian Shield: tectonic position and age of paleo-earthquakes near Murmansk // Bulletin of the Geological Society of Finland. 2021. V. 93. P. 53–72. https://doi.org/10.17741/bgsf/93.1.004
  41. Nikolaeva S., Tolstobrov D., Ryazantsev P. Evidence for postglacial seismicity in lacustrine records in the western Kola Peninsula north-western Russia) // The Holocene. 2023. V. 33. № 12. P. 1441–1452. https://doi.org/10.1177/09596836231197738
  42. Obermeier S.F., Olson S.M., Green R.A. Field occurrences of liquefaction-induced features: a primer for engineering geologic analysis of paleoseismic shaking // Engineering Geology. 2005. V. 76. P. 209–234.
  43. Ojala A.E.K., Mattila J., Hämäläinen J., Sutinen R. Lake Sediment Evidence of Paleoseismicity: Timing and Spatial Occurrence of Late- and Postglacial Earthquakes in Finland. // Tectonophysics. 2019. V. 771. P. 228–227. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.228227
  44. Olesen O., Bungum H., Dehls J., Lindholm C., Pascal C., Roberts D. Neotectonics, seismicity and contemporary stress field in Norway–mechanisms and implications / Eds L. Olsen, O. Fredin, O. Olesen // Quaternary Geology of Norway. Geological Survey of Norway. Special Publication 13. 2013. P. 145–174.
  45. Owen G. Load structures: gravity-driven sediment mobilization in the shallow // Sediment Mobilization. Geological Society, London. Special Publications 216. 2003. P. 21–34.
  46. Owen G., Moretti M. Identifying triggers for liquefaction-induced soft-sediment deformation in sands // Sediment. Geol. 2011. V. 235. P. 141–147. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2010.10.003
  47. Polonia A., Panieri G.L., Gasperini G., Gasparotto L.G., Bellucci L., Torelli L. Turbidite paleoseismology in the Calabrian Arc subduction complex (Ionian Sea) // Geochem. Geophys. Geosystems. 2013. V. 14. P. 112–140. https://doi.org/10.1029/2012GC004402
  48. Pisarska-Jamroży M., Woźniak P.P. Debris flow and glacioisostatic-induced soft-sediment deformation structures in a Pleistocene glaciolacustrine fan: The southern Baltic Sea coast, Poland // Geomorphology. 2019. V. 326. P. 225–238. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2018.01.015
  49. Pisarska-Jamroży M., Belzyt S., Börner A., Hoffmann G., Hüneke H., Kenzler M., Obst K., Rother H., Van Loon A.J. Evidence from seismites for glacio-isostatically induced crustal faulting in front of an advancing land-ice mass (Rügen Island, SW Baltic Sea) // Tectonophysics. 2018. V. 745. P. 338–348.
  50. Pisarska-Jamroży M., (Tom) Van Loon A.J., Mleczak M., Roman M. Enigmatic gravity-flow deposits at Ujście (western Poland), triggered by earthquakes (as evidenced by seismites) caused by Saalian glacioisostatic crustal rebound // Geomorphology. 2019. V. 326. P. 239–251. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2018.01.010
  51. Rodriguez-Pascua M.A., Calvo J.P., De Vicente G., Gomez-Gras D. Soft-sediment deformation structures interpreted as seismites of the Prebetic Zone, SE Spain, and their potential use as indicators of earthquake magnitudes during the Late Miocene // Sediment. Geol. 2000. V. 135. P. 117–135.
  52. Roep T.B., Everts A.J. Pillow-beds: a new type of seismites? An example from an Oligocene turbidite fan complex, Alicante, Spain // Sedimentology. 1992. V. 39. P. 711–724.
  53. Sammartini M., Moernaut J., Kopf A., Stegmann S., Fabbri S.C., Anselmetti F.S., Strasser M. Propagation of frontally confined subaqueous landslides: Insights from combining geophysical, sedimentological, and geotechnical analysis // Sediment. Geol. 2021. V. 416. P. 105–877. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2021.105877
  54. Seilacher A. Fault-graded beds interpreted as seismites // Sedimentology. 1969. V. 13. P. 155–159. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1969.tb01125.x
  55. Shanmugam G. High-density turbudity currents: are they sandy debris flows? // JSR. 1996. V. 66. № 1. P. 2–10.
  56. Stewart L.S., Sauber J., Rose J. Glacio-seismotectonics: ice sheets, crustal deformation and seismicity // Quat. Sci. Rev. 2000. V. 19. P. 1367–1389. https://doi.org/10.1016/S0277-3791(00)00094-9
  57. Sutinen R., Hyvönen E., Middleton M., Airo M.L. Earthquake-induced deformations on ice-stream landforms in Kuusamo, eastern Finnish Lapland // Glob. Planet. Change. 2018. V. 160. P. 46–60. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2017.11.011
  58. Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I., Demidov I., Dowdeswell J.A., Funder S., Gataullin V., Henriksen M., Hjort C., Houmark-Nielsen M., Hubberten H.W., Ingélfsson Ó., Jakobsson M., Kjær K.H., Larsen E., Lokrantz H., Lunkka J.P., Lyså A., Mangerud J., Matiouchkov A., Murray A., Möller P., Niessen F., Nikolskaya O., Polyak L., Saarnisto M., Siegert C., Siegert M.J., Spielhagen R.F., Stein R. Late Quaternary ice sheet history of №rthern Eurasia // Quat. Sci. Rev. 2004. V. 23. P. 1229–1271.
  59. Tuttle M.P., Hartleb R., Wolf L., Mayne P.W. Paleoliquefaction studies and the evaluation of seismic hazard // Geosciences. 2019. V. 9. P. 61. https://doi.org/10.3390/geosciences9070311
  60. Van Loon A.J., Pisarska-Jamroży M., Nartišs M., Krievāns M., Soms J. Seismites resulting from high-frequency, high-magnitude earthquakes in Latvia caused by Late Glacial glacio-isostatic uplift // Journal of Palaeogeography. 2016. V. 5. P. 363–380.
  61. Woźniak P.P., Belzyt S., Pisarska-Jamroży M., Woronko B., Lamsters K., Nartišs M., Bitinas A. Liquefaction and re-liquefaction of sediments induced by uneven loading and glacigenic earthquakes: Implications of results from the Latvian Baltic Sea coast // Sediment. Geol. 2021. V. 421. P. 105–944. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2021.105944
  62. Yevzerov V.Ya., Nikolaeva S.B. The Ice Sheet of the Kola Region in the Interval of the Marine Isotopic Stage (MIS) 4 // Doklady Earth Sciences. 2011. V. 441. P. 1598–1601.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Fragment of the map of Quaternary deposits of the Kola region [Map of Quaternary…, 1989] and the location of the studied section. 1–8 – deposits: 1 – biogenic, 2 – marine postglacial, 3 – glacial-lacustrine, 4 – fluvioglacial, 5 – moraine, 6 – glacial and fluvioglacial undifferentiated, 7 – marine (late- and postglacial) undifferentiated, 8 – crystalline rocks, partially covered by eluvium or colluvium; 9–17 – relief elements: 9 – eskers, 10 – drainage basins, 11 – deltas and alluvial fans, 12 – pressure moraine ridges, 13 – moraine ridges of unclear genesis, 14 – glaciodiapirs, 15 – small-hill and hilly-ridge reliefs, 16 – drumlins, 17 – moraine type; 18 – Karpinsky fault; 19 – position of the studied Ura-1 section, discussed in the text.

Download (33KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. General view of the outcrop on the right bank of the Ura River and a lithological column with three sedimentary strata VI, VII and VIII (on the right). 1 – sands, silts, sandy loams, 2 – banded clays, 3 – homogeneous clays, indistinctly layered.

Download (110KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Lithology of sediments of sequence VII with cyclic manifestation of deformed layers SSDS-1–SSDS-5. 1–4 – deformations: 1 – folded structures, 2 – “flame”-type structures and load imprints, 3 – sedimentary breccia, 4 – isolated clay fragments in sand; 5–7 – symbols: 5 – photo of the figure in the text and its number, 6 – layers with SSDS, 7 – OSL dates in thousand years. Lithofacies: Fv – banded clays, Fm – massive clays, Fh – laminated silts with clays, Fd – deformed silts, sandy loams and clays, Sm – homogeneous fine-grained sands, Sh – laminated, fine- and fine-grained sands, Sd – deformed fine-grained sands, Sfd – deformed silty sands and silts.

Download (124KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Examples of deformations in SSDS layers. a – folds in the SSDS-1 layer formed as a result of mass movement of material and initial liquefaction. The arrows show the direction of flows; b, c – sedimentary breccia of the SSDS-3 layer (b – photo, c – interpretation). The upper sublayer (b1) contains smaller fragments of clays and sands than the lower sublayer (b2); d – “flame”-type structure and load imprints in the SSDS-4 layer formed as a result of different material density and liquefaction phenomena. One can see the development of two levels of deformation: in the sublayer g2, the structures are more curved and inclined than in the upper sublayer g1; d – debris flow deposits in SSDS-4; e ‒ clay fragment “floating” in the sand matrix (shown by the arrow); g – clay fragments and debris distributed linearly along the sand layer (shown by the arrows).

Download (149KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Scheme of formation of fluvioglacial delta and late glacial marine sediments (according to [Evzerov, 1988]) and scenario of development of gravity flows and seismites. 1 – crystalline rocks, 2 – moraine, 3 – fluvioglacial delta, 4 – marine clays and sands, 5 – ice, 6 – direction of gravity flows.

Download (15KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Stages of deformation processes development in the SSDS-3 (a) and SSDS-4 (b) layers of the Ura-1 outcrop. a – stage (I) – primary sedimentation, turbidite and clastic flows, stage (II) – liquification, possibly initial slumping and boudinage, stage (III) – repeated brecciation and liquification (example of field observation, final stage of lithification); b – stage (I) – primary stratigraphy, two-layer system, stage (II) – different density and initial liquification, stage (III) – example of field observation, final stage of lithification.

Download (55KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».