New data on the age and evolution of the late pleistocene cryogenesis in the southern caspian Lowland

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Юг Восточно-Европейской равнины на протяжении четвертичного периода неоднократно становился областью развития многолетней мерзлоты, которая формировалась здесь во времена криохронов (ледниковых эпох) (Динамика ландшафтных…, 2022). Процессы криогенеза сопровождаются развитием в четвертичных отложениях образований различного облика — криогенных структур (КС). Анализ литературы, посвященной природным процессам в криолитозоне и перигляциальных областях, показывает, что КС весьма разнообразны, как разнообразна и интерпретация их происхождения. При этом следует отметить, что основополагающий термин “криогенез” разными исследователями понимается по-разному. Мерзлотоведы и криолитологи считают, что криогенез — это комплекс процессов, связанных с понижением температуры пород и появлением в них льда (Тютюнов, 1960; Конищев, Рогов, 1994; Романовский, 1993). В данной работе речь идет о палеокриогенных структурах, которые не содержат в настоящее время льда, но содержали его в прошлом. Поэтому мы основываемся на трактовке криогенеза, предложенной О.В. Макеевым (1974), понимавшим под ним совокупность процессов физического, химического и биологического преобразования почвенной толщи, происходящих вследствие влияния отрицательных температур, т.е. при промерзании почв, пребывании их в промерзшем состоянии и протаивании” (1974, с. 7). Этого же мнения придерживался Э. Д. Ершов (2002), характеризуя криогенное текстурообразование в грунтах как результат процессов, протекающих при их промерзании, в мерзлом состоянии и при оттаивании. Такая трактовка является наиболее приемлемой и для изучения истории развития многолетнемерзлых пород, поскольку изучаемые криогенные структуры в своем существовании прошли две стадии: 1) промерзания и образования льда в отложениях; 2) протаивания, деградации льда и заполнения структуры оттаявшими отложениями. Каждая из стадий оставила свои следы, формируя те или иные черты криогенных структур как в макро-, так и в микромасштабе.

Одним из наиболее интересных районов для изучения истории криогенеза на юге Восточно-Европейской равнины является Прикаспийская низменность. Работы по реконструкции природных условий для Прикаспийской низменности выполнялись многими авторами (Шкатова, 1975; Янина, 2012; Tudryn et al., 2013; Свиточ, 2014). Здесь, в многочисленных естественных обнажениях долины р. Волги, вскрываются различные по форме и генезису структуры предположительно криогенного генезиса (Васильев, 1961; Москвитин, 1962; Шкатова, 1975). Указанные структуры встречаются как в субаэральных отложениях (лёссово-почвенные серии), так и аллювиальных и эстуарно-морских. В последние годы наметился существенный прогресс в характеристике новейших отложений региона и реконструкции палеогеографических условий различных этапов плейстоцена, связанный с применением комплекса современных палеогеографических методов (Болиховская и др., 2017; Költringer et al., 2020; Költringer et al., 2021; Zastrozhnov et al., 2020; Kurbanov et al., 2021).

Для Нижнего Поволжья были опубликованы первые данные о строении КС (Рогов и др., 2020), возрасте их образования (Taratunina et al., 2021), палеогеографических условиях их формирования (Таратунина и др., 2023). При этом основные результаты были получены по КС, обнаруженным в лёссово-почвенных сериях ательской свиты, которые наиболее характерны для северной части Нижнего Поволжья (Költringer et al., 2020). Продолжение этих работ в виде обследования естественных обнажений в долине Волги позволило найти подобные структуры в разрезах Косика и Черный Яр в южной части Нижнего Поволжья. Изучение этих объектов имеет большое значение для понимания этапов развития природной среды юга Прикаспийской низменности, определения влияния трансгрессивно-регрессивных циклов Каспийского моря на рельеф, а также открывает перспективы для более детальных реконструкций этапов максимального распространения криолитозоны на юго-востоке Восточно-Европейской равнины.

В целях установления закономерностей формирования криогенных структур в различных генетических типах четвертичных отложений Нижнего Поволжья, уточнения этапов развития и границ максимального распространения криолитозоны на территории юго-востока Русской равнины нами охарактеризована морфология криогенных структур, изучены морфоскопия кварцевых зерен и микростроение отложений, рассчитан коэффициент криогенной контрастности, выполнено абсолютное датирование.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

В четвертичное время рельеф Прикаспийской низменности подвергался преобразованию в ходе обширных трансгрессий Каспийского моря, в связи с чем широкое развитие получили отложения морского генезиса (Свиточ, 2014). На юге Нижнего Поволжья выделяются два крупных геоморфологических района — южный и северный, границу между которыми можно условно провести по уступу поверхности с абс. отм. ~0 м (Свиточ, 2014). В северном районе разрезами вскрывается строение раннехвалынской морской террасы (абс. отм. 0—45—50 м), отложения которой представлены глинами и суглинками (Янина, 2012). Южный район представляет собой поверхность более низкой позднехвалынской террасы. Равнина осложнена бэровскими буграми, которые чередуются с понижениями, образуя грядовый рельеф. Бэровские бугры сложены песками и грубыми супесями желтой, коричневой и буроватой окраски (бэровской толщей). В рамках настоящего исследования проведены работы на многочисленных естественных обнажениях-обрывах, вскрывающих верхнеплейстоценовые отложения (рис. 1).

 

Рис. 1. Район исследований: (а, б) — расположение территории и изученных разрезов; (в) — общий вид местности в районе Черного Яра.

Fig. 1. Studied area: (а, б) — the location of the area and studied sections; (в) — general view on the relief of the southern part of the Lower Volga Region (Chernyy Yar location).

 

В южной части района выделяются значительные по мощности серии разновозрастных отложений каспийских трансгрессивных этапов (бакинский, хазарский, гирканский, хвалынский), а также незначительные по мощности и спорадически распространенные горизонты сохранившихся аллювиальных и субаэральных осадков (Янина, 2012). Особенностью седиментогенеза в данном районе является значительное влияние Каспийского моря, выраженное в трансгрессивных аккумулятивных фазах осадконакопления, а также размывах отложений, определивших неполноту геологической летописи.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Полевые работы

В ходе полевых работ выполнялся поиск наиболее полных обнажений, содержащих структуры, описанные ранее как криогенные (Федоров, 1957; Васильев, 1961; Москвитин, 1962; Шкатова, 1975; Свиточ, Янина, 1997). Из серии обследованных обнажений выбраны два, содержащих наиболее выраженные КС: Черный Яр и Косика. Здесь подготовлены расчистки, выполнено детальное послойное описание отложений, измерение морфометрических параметров структур, их фотофиксация и зарисовка, опробование (заполнителя, вмещающих и перекрывающих отложений) на литологические исследования, OSL датирование. Всего в двух разрезах изучено и опробованы породы из семи структур.

3.2. Аналитические исследования

Лабораторное изучение отложений выполнено в Институте криосферы Земли ТюмНЦ СО РАН, на Географическом факультете МГУ, в Институте географии РАН, в Скандинавской лаборатории люминесцентного датирования (Орхусский университет).

Согласно концепции В. Н. Конищева (1981), в криолитозоне в результате разрушения минеральных составляющих отложений формируется особая криогенная организация минерального вещества, выражающаяся в своеобразном распределении его составляющих по гранулометрическому спектру. Для оценки влияния перигляциальных условий на формирование отложений был предложен коэффициент криогенной контрастности (ККК), характеризующий распределение максимального количества основных породообразующих минералов (кварца и полевого шпата) во фракциях крупной пыли (0.05—0.01 мм) и тонкого песка (0.1—0.05), в которых они накапливаются в ходе криогенеза (Конищев, Рогов, 1994). В качестве подготовительной стадии для минералогического анализа использовался метод влажного ситования (для получения крупноалевритовой и тонкопесчаной фракций). Далее образец каждой фракции высушивался, растирался в агатовой ступке и укладывался в кювету для дальнейшей загрузки в дифрактометр для определения минерального состава выделенных фракций. Определение ККК выполнено для 16 образцов с использованием рентгеноструктурного дифрактометра D2 PHASER (Bruker). Для оценки степени криогенной переработки осадка проведен расчет ККК — как для вмещающих отложений, так и для заполнителя структур.

Изучение микростроения отложений проводилось в двух аспектах: 1) изучение микростроения образцов ненарушенного сложения по сколам небольших образцов (0.5—1.0 см³); 2) изучение микротекстурных характеристик поверхности кварцевых зерен по выборке 20 зерен для каждого образца (Таратунина и др., 2023). Последнее обусловлено тем, что морфологические характеристики кварцевых частиц являются важным диагностическим признаком в определении генезиса осадков.

Абсолютное датирование выполнено методом оптически стимулированной люминесценции (OSL) для 5 образцов разреза Черный Яр по методике, описанной в статье (Kurbanov et al., 2021). OSL датирование многократно успешно применялось для определения возраста криогенных структур, путем датирования пород заполнителя структур, перекрывающих и подстилающий отложений (Buylaert et al., 2009; Вольвах и др., 2021). Результаты люминесцентного датирования разреза Косика опубликованы в работе (Butuzova et al., 2022). Все измерения выполнены по навескам зерен кварца и калиевого полевого шпата на стальных дисках (8 мм в диаметре для кварца и 2 мм для полевых шпатов) на стандартном ТЛ/OSL ридере Risø, модель DA-20, оснащенном калиброванным бета-источником изотопа стронция-90. Концентрации радионуклидов в отложениях измерены с помощью гамма-спектрометра высокого разрешения. Надежность полученных датировок определялась на основе сравнения трех протоколов и датировок по кварцу и по калиевым полевым шпатам (Курбанов и др., 2022). Применение абсолютного датирования позволило установить хронологию этапов развития криогенеза.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разрез Черный Яр (рис. 1, (б); 2) расположен в 1 км южнее одноименного села (H_абс 4.5 м, координаты 48.0321° N, 46.1116° E) в песчаном карьере на правом берегу р. Волги. В строении разреза выделяются субаэральные, аллювиальные и морские пачки отложений. Ниже современной почвы (слой 1) залегает палеопочва глинистого состава (слой 2). Ниже (слои 3—6) — пески различного состава: с косой слоистостью и без слоистости, слой 5 насыщен раковинами каспийских моллюсков (Didacna. protracta, D. trigonoides, Dreissena rostriformis) (Свиточ, Янина, 1997). Слои 7—8 представлены тонкодисперсными пойменными отложениями и осадкам мелководного бассейна. Их переход в залегающую ниже мощную толщу руслового аллювия (слой 11) подчеркнут горизонтом плотного сцементированного песка (слои 9—10). Нижняя часть разреза представлена толщей аллювия — горизонтом черноярской свиты Нижнего Поволжья (слой 11), в котором выделяется несколько слоев и многочисленные костные остатки крупных сухопутных животных (Mammuthus trogonterii chosaricus, Equus caballus chosaricus и др.) (Свиточ, Янина, 1997).

 

Рис. 2. Разрез Черный Яр: (а) — схема разреза с результатами расчета коэффициента криогенной контрастности, OSL датирования, цвет отложений отражает естественный цвет осадка; (б) — общий вид (белые стрелки указывают на кровлю исследованных структур); (в) — опробованная структура (номерами обозначены точки отбора образцов для литологического анализа); (г) — зарисовка опробованной структуры с результатами OSL датирования отложений. 1 — глина; 2 — суглинок; 3 — супесь; 4 — лёсс; 5 — песок; 6 — переотложенный осадок; 7 — палеопочвы; 8 — слоистость; 9 — структуры по типу криогенных; 10 — малакофауна; 11 — карбонаты (конкреции и примазки); 12 — кротовины; 13 — номера слоев; 14 — точки отбора образцов на литологические анализы; 15 — возраст OSL, тыс. л. (заполнитель структур и перекрывающих отложений); 16 — возраст OSL, тыс. л. (вмещающие отложения).

Fig. 2. Chernyy Yar section: (а) — the scheme of the — section with the coefficient of cryogenic contrast, OSL dating results, the color of the deposits reflects the natural color of the sediments; (б) — general view (white arrows show studied structures); (в) — sampled structure (numbers indicate sampling points for lithological analysis); (г) — sketch of the sampled structure with the results of OSL dating. 1 — clay; 2 — loam; 3 — sandy loam; 4 — loess; 5 — sand; 6 — redeposited sediment; 7 — paleosols; 8 — stratification; 9 — cryogenic-like structures; 10 — malacofauna; 11 — carbonates (concretions and admixtures); 12 — krotovinas; 13 — layers numbers; 14 — sampling points for lithological analyses; 15 — OSL age, ka (structures filler and overlying sediments); 16 — OSL age, ka (enclosing sediments).

 

В разрезе Черный Яр вскрыты многочисленные структуры предположительно криогенного генезиса (рис. 2). Они присутствуют на протяжении всего обнажения, где заложен разрез, а также в различных стенках карьера к югу и северу. В работе (Шкатова, 1975) эти структуры описаны как “сингенетичные мерзлотные деформации в пойменном аллювии” и “щельники, выполненные ахтубинскими песками”. Деформации расположены на расстоянии до 1.5 м друг от друга и имеют неровные границы, различную форму и вертикальную протяженность. Изучена и опробована одна из псевдоморфоз клиновидной формы вертикальной протяженностью ~1.2 м (рис. 2, (в)). Раскрытие по верху у нее составляет 10 см, однако ниже структура расширяется до 20 см, а в центральной части сужается с разделением на два ветвящихся хвоста. Вмещающие отложения (слой 7) представлены глинами с сетчатой, предположительно, посткриогенной текстурой и следами почвообразования в верхних 30 см. Перекрывающие отложения и слагающие собственно тело жилы, представляют собой песок среднезернистый (слой 6). Границы структур четкие. Размеры структур различны: некоторые из них меньше (40—60 см по вертикали, тонкие), другие крупнее и шире и имеют воронкообразную форму.

Разрез Косика (рис. 1, (б); 3) расположен на правом берегу р. Волги, в 500 м к северо-западу от одноименного села (H_абс 1.0 м, 47.0993° N, 47.2043° E), и является самым южным обнажением, в котором встречены криогенные структуры в Нижнем Поволжье. Разрез вскрывает строение бэровского бугра и отражает историю Нижнего Поволжья в хвалынскую (слои 1—3) и позднехазарскую (слои 6—7) эпохи (Butuzova et al., 2022), между которыми наблюдается перерыв в осадконакоплении. Молодые (хвалынские) осадки представлены красноватыми супесями, в то время как более древние (хазарские) слои характеризуются суглинистым и глинистым составом отложений с высоким содержанием гипса. В разрезе Косика вскрываются весьма разнообразные и сложные структуры по типу псевдоморфоз, образующие несколько горизонтов по времени формирования и по положению с вышележащими и нижележащими отложениями.

 

Рис. 3. Разрез Косика: (а) — общий вид; (б) — схема разреза (по Butuzova et al., с изменениями); (в) — фрагмент с рис. 3, (б); (г) — клиновидная структура горизонта КОС-1; (д) — структура горизонта КОС-3 с горизонтальными отростками; (е) — клиновидная, заполнена бежевым песком, структура горизонта КОС-2 (красный контур) и тонкая, длинная, заполнена рыжим песком (белый контур) структура КОС-4; (ж) — мешкообразная структура КОС-2 (красный контур), наложенная на структуру КОС-3, а также результаты датирования отложений; положение дат показано по горизонтам условно; (з) — структуры КОС-2 (красный контур), КОС-3 (слева, хвостовая часть сцементирована) и КОС-4 (справа), заполненные рыхлым песком. Цвет на схемах отражает естественный цвет осадка. Усл. обозначения на рис. 2.

Fig. 3. The Kosika section: (а) — general view; (б) — section scheme (according to Butuzova et al., with additions); (в) — fragment from fig. 3, (б); (г) — wedge-shaped structure of КОС-1 horizon; (д) — structure of horizon КОС-3 with horizontal schliers; (е) — wedge-shaped structure filled with beige sand of КОС-1 horizon (red outline), and thin, long structure filled with red sand (white outline) of КОС-4 horizon; (ж) — bag-shaped structure of КОС-2 (red outline) inflicted on the structure of КОС-3, also the results of OSL dating of the deposits of the Kosika section, the position of dates is shown by horizons conditionally; (з) — structures of КОС-3 (left) and КОС-4 (right) filled with loose sand, the tail of the left one is cemented. The color in the schemes reflects the natural color of the sediments. Symbols are in fig. 2.

 

Первый горизонт структур (КОС-1), берущих начало на границе слоев 3а и 4 и секущих слой 4, представлен клиновидными формами до 50 см по вертикали, с четкими границами и заполнителем из рыжего сцементированного материала слоя 3а — раннехвалынских осадков (рис. 3, (г)).

Структуры второго горизонта (КОС-2) также берут начало под красновато-коричневой супесью (слой 3), секут нижележащий горизонт плотной супеси (слой 4) и тонкий прослой желтого песка (слой 5). Однако, в отличие от КОС-1, внедряются в плотную коричневую супесь слоя 6 (рис. 3, (е, ж, з), красный контур); хвост таких структур заполнен однородным сцементированным среднезернистым бежевым песком с голубым оттенком, а в верхней части — рыхлым бежевым песком. Одни структуры горизонта КОС-2 имеют клинообразную форму (например, рис. 3, (е)), другие — четкую мешкообразную форму с округлым нижним краем, заполнены рыхлым бежевым песком (рис. 3, (ж)); иногда псевдоморфозы нарушены кротовинами. Как видно из рис. 3, (ж), псевдоморфоза наложена на структуры нижних криогенных горизонтов. Границы описанных структур с вмещающими отложениями четкие; материал заполнителя отсутствует выше в разрезе. Вертикальная протяженность структур КОС-2 40—60 см, горизонтальная — 25—30 см.

Клиновидные структуры третьего (КОС-3) и четвертого (КОС-4) горизонтов берут начало на 2 см ниже верхней границы слоя 6 и представлены псевдоморфозами различной конфигурации. Структуры КОС-3 имеют вертикальную протяженность 60—65 см, ширину до 25 см; заполнены в верхней части рыхлым бежевым песком, в хвостовой — серо-голубым сцементированным песком (рис. 3, (д, з)); границы четкие, неровные, извилистые, иногда — с горизонтальными отростками (рис. 3, (д)). Всего в стенке вскрыто четыре таких структуры; материал одной из них полностью окрашен в сине-серый цвет. Материал заполнителя выше в разрезе отсутствует. Структуры КОС-4 представлены псевдоморфозами с четкими границами, выраженной клиновидной формой; заполнены рыжим среднезернистым песком, отсутствующим выше в разрезе (рис. 3, (е, з)). Структуры тонкие, извилистые, 15—30 см по вертикали, 7—10 см в широкой части. Структуры разреза Косика выделены в отдельные горизонты ввиду различий в форме границ, вертикальной протяженности и заполнителе.

4.1. Абсолютный возраст

Для разреза Черный Яр получено пять OSL дат (Таратунина, 2022). Три из них позволяют зафиксировать время формирования структур в разрезе (ЧЯ-1). Возраст верхней части отложений слоя 6 (вмещающие отложения, образец № 7 на рис. 2, (в)) определен в 57.0±3.1 тыс. л. н.; для перекрывающих жилу отложений (слой 6) получена дата 32.4±2.0 тыс. л. н.; возраст заполнителя жилы (образец № 8 на рис. 2, (в)) определен в 43.8±2.2 тыс. л. н. Голубые глины слоя 8 датируются 88.7±4.8 тыс. л. н. Для определения возраста структур разреза Косика использованы полученные ранее результаты (Butuzova et al., 2022). Датирование для обоих разрезов выполнялось по единой методике, описанной в (Butuzova et al., 2022), где приведено и обоснование надежности результатов.

Микростроение вмещающих, перекрывающих отложений и заполнителя КС разреза Черный Яр изучено с применением сканирующей электронной микроскопии. Особое внимание уделялось таким параметрам частиц, как форма и рельеф поверхности кварцевых зерен, которые несут признаки их перемещения различными природными агентами, обработки и накоплении в определенных условиях (наличие сколов, включения агрегатов, органические и минеральные примеси). Верхняя часть вмещающих отложений (слой 7) разреза Черный Яр характеризуется присутствием остатков растений, наличием пор диаметром 0.4 мм с уплотненными стенками.

Морфология кварцевых зерен разреза Черный Яр верхней части слоя 7 (зона интенсивного преобразования) разнообразна: встречены угловатые частицы с раковистыми сколами (рис. 4, (а, б), параллельными бороздами (рис. 4, (в)), белые стрелки), свежими и сглаженными поверхностями (рис. 4, (в, г)); в то же время присутствуют изометричные окатанные зерна с поверхностью, покрытой многочисленными равномерно распределенными ямками, а также вытянутые зерна. На кварцевых частицах, помимо раковистых сколов, присутствуют следы травления (рис. 4, (д)).

 

Рис. 4. Морфология кварцевых зерен и агрегатов вмещающих псевдоморфозу отложений (слои 7—8) разреза Черный Яр: (а) — угловатое зерно с раковистыми сколами; (б) — зерно со сколами и свежей поверхностью; (в) — угловатое зерно со сглаженными углами и параллельными бороздами (белые стрелки); (г) — вытянутое зерно со сглаженными гранями; (д) — следы травления на поверхности зерен; (е) — агрегат, сложенный кальцитом.

Fig. 4. Morphology of quartz grains and aggregates of deposits that enclosing ice-wedge casts (layers 7—8), Chernyy Yar section: (а) — angular quartz grain with conchoidal chips; (б) — grain with chips and a fresh surface; (в) — angular grain with smoothed angles and parallel grooves (white arrows); (г) — elongated grain with smooth edges; (д) — traces of etching on the grain surface; (е) — calcite aggregate.

 

Агрегаты представлены друзами и кристаллами карбоната кальция (рис. 4, (е)). Отложения слоя 8 (зона хвостовой части криогенной структуры) характеризуются зернами со сглаженными гранями, на некоторых присутствуют бороздки, заполненные повторно осажденным кремнием, на других — следы травления. Отложения слоя 6, формирующие тело структуры, характеризуются более округлыми зернами кварца со следами травления, серповидными бороздками.

В разрезе Косика горизонты со структурами залегают один над другим, и в целом вмещающими отложениями служат одни и те же слои, хотя заполнитель структур выше в разрезе отсутствует (за исключением КОС-1). Следовательно, отложения, являющиеся источником материала, который заполнил структуры, был денудирован. Отложения слоя 6 (рис. 3, (ж), образцы № 6, 7 на желтом фоне) представлены тонкодисперсной фракцией с большим количеством агрегатов; встречены остроугольные зерна кварца (рис. 5, (а)).

 

Рис. 5. Морфология кварцевых зерен отложений разреза Косика: (а) — угловатое кварцевое зерно (слой 7); (б) — продолговатое хорошо окатанное зерно (отложения псевдоморфозы с рис. 3, (д)); (в) — зерно кварца с ямчатым рельефом (отложения псевдоморфозы с рис. 3, (з)); (г) — кварцевое зерно со сколами (отложения псевдоморфозы с рис. 3, (з)); (д) — агрегат с частицами разного гранулометрического состава (псевдоморфоза с рис. 3, (з)); (е) — железистая конкреция (псевдоморфоза рис. 3, (д)).

Fig. 5. Morphology of quartz grains of the Kosika section: (а) — angular quartz grain (layer 7); (б) — elongate, well-rounded grain (from ice-wedge cast deposits, fig. 3, (д)); (в) — quartz grain with pits (from ice-wedge cast deposits, fig. 3, (з)); (г) — quartz grain with chips (from ice-wedge cast deposits, fig. 3, (з)); (д) — aggregate with particles of different size (from ice-wedge cast deposits, fig. 3, (з)); (е) — ferruginous nodule (pseudomorphosis from fig. 3, (д)).

 

В песчаных отложениях, формирующих тело псевдоморфоз (рис. 3, (ж), образцы № 2—5), морфология кварцевых частиц представлена преимущественно хорошо окатанными (рис. 5, (б)) и изометричными зернами с ямчатым рельефом (рис. 5, (в)), в плотной рубашке; некоторые зерна остроугольные, со сколами (рис. 5, (г)). Присутствуют агрегаты, центральная часть которых сложена тонкой фракцией, а периферийные части — более крупной (рис. 5, (д)). Присутствуют друзы целестина и иголочки кальцита как на поверхности, так и в виде отдельных сростков, микроконкреции железа (рис. 5, (е)) и микродрузы циркона.

Расчет коэффициента криогенной контрастности (ККК) для отложений разреза Черный Яр показывает значения менее единицы: для песчаных отложений слоя 6 и заполнителя псевдоморфозы коэффициент составляет 0.77; слои 7—8 (вмещающие структуры отложения) характеризуются значениями 0.83—0.89.

Для разреза Косика ККК рассчитан для вмещающих и заполняющих псевдоморфозы отложений (12 образцов). Для слоев 1—3 значения коэффициента находятся в пределах 0.84—0.95. В нижней части разреза (слои 4—6), где заключены все криогенные структуры, значения ККК составляют около или более 1: в слое 4 отмечается самое высокое значение коэффициента по всему разрезу — 1.13. В слое 5 значение коэффициента составляет 0.90; для нескольких образцов вдоль верхней границы слоя 6 — более единицы (1.01—1.07), в то время как нижние горизонты слоя 6 характеризуются коэффициентом менее единицы и убывают с глубиной.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Флуктуации уровня Каспийского моря наравне с малыми уклонами поверхности Прикаспийской низменности способствовали широкому развитию лагун и лиманов на данной территории (Бадюкова, 2021). Выделенные в разрезах Черный Яр и Косика структуры зафиксированы в лиманно-морских отложениях. Структуры, получившие развитие в данном типе отложений, отличаются большими размерами по сравнению с зафиксированными в лёссово-почвенных сериях, и представлены заключенными в глинистых отложениях клиновидными и мешкообразными псевдоморфозами вертикальной протяженностью 30—130 см, а также псевдоморфозами мощностью до 65 см с горизонтальными отростками.

Морфология изученных структур, особенности соотношения вмещающих отложений и заполнителя (четкие границы, заполнение вышележащим материалом, более широкая верхняя часть структур, сегрегационные отростки, сетчатое организация структур при горизонтальной зачистке) указывают на криогенный характер их формирования.

Структуры разреза Косика берут начало на границе слоев 3/4 и 5/6, поэтому для оценки времени их формирования было важно определить возраст отложений вблизи границ указанных слоев.

Имеющиеся данные указывают на время формирования слоя 6 в МИС 5е (даты 127.1±7.4 и 131.2±8.8), а накопление отложений слоев 4 и 5 происходило в один цикл развития палеолагуны в МИС 5с или 5b (даты 98.4±7.2, 90.0±10.1 и 89.5±7.0). Исходя из этих данных время формирования структур КОС-4 и КОС-3, расположенных в кровле слоя 6, наиболее логично соотнести с фазой похолодания МИС 5d (115—105 тыс. л. н.).

Формирование структур двух горизонтов произошло в период осушения территории, при переходе к субаэральному осадконакоплению: сформировались клиновидные псевдоморфозы вертикальной протяженностью до 30 см, в настоящее время заполненные рыхлым рыжим песком (КОС-4); псевдоморфозы мощностью до 65 см с горизонтальными отростками, заполненные в верхней части также рыжим песком, а в хвостовой — сцементированным серо-синим песком (КОС-3). Заполнитель структур отсутствует выше в разрезе. Более детальное подразделение этапов криогенеза возможно в будущем при увеличении количества датировок.

Формирование структур этих горизонтов, вероятно, происходило при разных гидроморфных условиях: малые размеры и высокая степень ожелезнения заполнителя свидетельствуют о меньшей увлажненности и существовании окислительных условий (КОС-4), в то время как в КОС-3 структуры отличаются большими вертикальными размерами, наличием горизонтальных шлиров, неровными границами, сцементированным материалом и потемнением в хвостовой части.

Интересны результаты расчета ККК, которые для верхней части позднехазарских осадков (слой 6) составляют 0.93—1.13, что соответствует представлениям о многократном циклическом промерзании-протаивании отложений либо существовании маломощной многолетней мерзлоты. ККК для нижней части слоя 6 характеризуется меньшими значениями (0.89), что свидетельствует о меньших количествах циклов промерзания-оттаивания для этого уровня отложений. Таким образом, наблюдается интенсивное криогенное преобразование верхней части толщи морских осадков, убывающее с глубиной.

Для горизонта КОС-2 описаны мешкообразные псевдоморфозы с однородным песчаным заполнителем, отсутствующим выше в разрезе. Структуры вертикальной протяженностью до 40 см внедряются в толщу плотных супесей (слой 4). По песчаному материалу заполнителя одной из структур (рис. 3, (ж)) получена дата 82.8±6.7 тыс. л. н. Также получена дата по вмещающим отложениям (слой 4) — 89.5±7.0 тыс. л. н. Таким образом, заполнение криогенных структур произошло не позднее ~82 тыс. л. н., что позволяет говорить о времени формирования структур верхнего горизонта КОС-1 на этом участке в период ~83—90 тыс. л. н., что, с учетом доверительных интервалов, укладывается в завершающий этап похолодания морской изотопной стадии МИС 5b (Railsback et al., 2015).

Структуры горизонта КОС-1 секут толщу слоя 4 и заполнены материалом вышележащего слоя 3а, для нижней части которого получены даты 22.7±1.3 и 22.0±1.1 тыс. л. В связи с этим мы оцениваем время формирования криогенных структур КОС-1 в ~23—22 тыс. л. н.

Для отложений криогенных горизонтов разреза Косика и отдельных структур в них проведен расчет коэффициента криогенной контрастности, который показал, что вмещающие отложения характеризуются более высокими значениями ККК (до 1.13), которые убывают по профилю вмещающих структуры отложений с глубиной. Это закономерно, поскольку вмещающие отложения проходят через большее количество циклов промерзания-протаивания, а значит испытывают более интенсивное криогенное преобразование. Морфология кварцевых зерен также несет в себе следы криогенного воздействия: вмещающие отложения характеризуются многочисленными кварцевыми зернами со сколами, раковистыми изломами криогенного характера; присутствует большое количество агрегатов. Заполнитель структур представлен преимущественно хорошо окатанными песчаными зернами со следами эолового переноса, в плотной “рубашке”. Последнее свидетельствует о нахождении материала в водной среде, вероятно, после осадконакопления.

В разрезе Черный Яр выделен один горизонт со структурами (ЧЯ-1), выраженный в виде псевдоморфоз мощностью до 1.3 м, с неровными границами, ответвлениями в хвостовой части и заполнением вышележащим песчаным материалом. Структуры нарушают верхнюю часть слоя 7 с признаками почвообразования, которые свидетельствуют о начале осушения бассейна в завершающую стадию формирования этого горизонта с образованием дневной поверхности и развитием гидроморфной палеопочвы. По результатам датирования разреза Черный Яр можно сделать вывод, что до ~57—55 тыс. л. н. на данной территории существовал бассейн эстуарного типа (накопление отложений горизонтов 7—8). Даты верхней части слоя 7 (57.0±3.1 тыс. л. н.) и заполнителя структур (43.8±2.2 тыс. л. н.) позволяют отнести время формирование структур к ~43 тыс. л. н., т.е. к периоду похолодания МИС 3b, когда на низких геоморфологических уровнях, на участках с повышенным увлажнением существовали условия для формирования мерзлых пород. Наиболее вероятным механизмом заполнения песком протаявших клиньев является эоловый перенос. Так как сам факт существования мерзлоты фиксирует дневную поверхность на этом участке, предположить попадание песчаных частиц склоновыми процессами в равнинной Прикаспийской низменности, либо в результате аллювиальных и прибрежно-морских процессов, которые бы деформировали поверхность слоя, измятого криогенезом, не представляется возможным. Даже если песчаный материал и поступал с ближайших морских, либо речных пляжей, либо потенциальных склоновых чехлов, последним агентом транспорта должен был быть эоловый перенос, что позволяется считать датировку по заполнителю, с учетом особенностей OSL датирования, наиболее надежной.

Изучение в разрезе Черный Яр микростроения вмещающих и формирующих псевдоморфозу отложений горизонта со структурами показало, что кварцевые зерна имеют как признаки криогенной переработки (угловатый облик, сколы на поверхности), так и сохранили признаки обстановок седиментации (изометричную и окатанную эоловую форму, сглаженные грани, мелкоямчатый рельеф, серповидные бороздки водной обработки). Значения ККК для криогенного горизонта значительно ниже единицы, что, при условии существования мелководного бассейна и высокой влажности отложений (ввиду глинистого состава), свидетельствуют о малых количествах циклов промерзания-протаивания, через которые прошли вмещающие отложения. Вероятно, произошел быстрый переход от субаэральных условий, в которых формировались криогенные структуры, к лиманно-морскому осадконакоплению и перекрытию существовавших криогенных структур водой.

Таким образом, в увлажненных (пойменных или периодически осушаемых лагунных) условиях, происходило промерзание-протаивание, что привело к формированию вертикальных и горизонтальных шлиров льда. В разрезе Косика, ввиду его особого геоморфологического положения (на низких уровнях), определявшего повышенное увлажнение, мы наблюдаем четыре криогенных горизонта, часть из которых не имела регионального значения, а формировалась в результате слабых и непродолжительных этапов промерзания увлажненных отложений. Вмещающие отложения носят признаки криогенной переработки (сетчатая текстура, кварцевые зерна остроугольной формы со сколами, высокая агрегированность частиц), в то время как заполнитель представлен хорошо окатанными изометричными зернами.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное комплексное изучение строения двух опорных разрезов в южной части Нижнего Поволжья позволило подтвердить криогенное происхождение многочисленных КС и выделить четыре криогенных этапа. На основании полученных материалов о строении криогенных структур, анализа распределения коэффициента криогенной контрастности, литологической характеристики отложений выполнена реконструкция условий их формирования в позднем плейстоцене. Осадконакопление здесь происходило при интенсивном влиянии Каспийского моря, и, следовательно, в условиях большей увлажненности отложений, чем в других участках Прикаспийской низменности. В связи с этим структуры, получившие развитие в исследованном районе (Косика, Черный Яр), отличаются большими размерами по сравнению с теми, что зафиксированы в лёссово-почвенных сериях, и представлены клиновидными и мешкообразными псевдоморфозами в лиманно-морских отложениях.

Новые данные позволили уточнить хронологию и масштабы развития криогенеза в Нижнем Поволжье. Для разрезов Косика и Черный Яр выделены следующие этапы развития криогенеза:

На юге Прикаспийской низменности, где на протяжении всего позднего плейстоцена существовали в целом аридные условия, решающую роль в развития криогенеза холодных этапов играли условия увлажнения. Ввиду этого наиболее выраженные криогенные структуры встречаются в тонкодисперсных прибрежно-морских отложениях, которые на момент криогенного воздействия были насыщены влагой. Разнообразие размещения криогенных структур как по отдельным разрезам Нижнего Поволжья (Рогов и др., 2020; Таратунина и др., 2023; Taratunina et al., 2021), так и по площади позволяет предположить, что особую роль при формировании структур имели местные особенности, в частности — геоморфологическая позиция поверхности (определяла увлажнение/льдистость осадков), генезис отложений и историческое прошлое района. Наиболее ярко криогенез проявился в тонкодисперсных, более влагоемких отложениях (палеопочвенных горизонтах, пойменных и морских осадках), в то время как в лёссовых отложениях ледниковых эпох криогенные явления не находят отражения.

Традиционно считалось, что граница максимального распространения криолитозоны позднего плейстоцена в Северном Прикаспии проходила примерно по широте Волгограда (Величко и др., 1996, 2002). Проведенные исследования позволяют сдвинуть эту границу как минимум до с. Косика, т.е. на 250 км южнее. Ранее на основе климатических реконструкций уже предполагалось, что граница сплошной мерзлоты проходила южнее Волгограда (Vandenberghe et al., 2014), но наши исследования впервые предоставляют геологические доказательства этого. Криогенез наиболее выражен на участках с преобладанием гидроморфизма; другие, более сухие районы, также носят следы криогенного преобразования, однако степень выраженности и сохранности криогенных форм здесь ниже.

Изучение криогенных явлений весьма актуально для палеогеографических реконструкций, поскольку криогенные структуры фиксируют дневную поверхность, и наиболее ярко отражают эпизоды неполноты геологической летописи, в том числе давая возможность из материала заполнителя изучить отложения горизонтов, утерянных в результате денудационных процессов. Помимо этого, криогенные формы часто наследуют друг друга, что отражает неоднократность промерзания и многократность развития криогенеза в регионе.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность Я.-П. Булярту и Э. С. Мюррею за помощь и рекомендации в проведении OSL датирования, а также анонимным рецензентам, комментарии которых существенно улучшили статью. Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ 19-77-10077 (OSL датирование), госзаданий НИЛ новейших отложений и палеогеографии плейстоцена, географический факультет МГУ (программа № 121051100135-0, палеогеографические реконструкции) и отдела палеогеографии четвертичного периода ИГ РАН (программа № 0148-2019-0005, полевые исследования). Исследование выполнено в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды” и при поддержке госзадания кафедры криолитологии, географический факультет МГУ (программа №121051100164-0, криолитологические исследования).

ACKNOWLEDGMENTS

The authors are grateful to J.-P. Buylaert and A. S. Murray for their help and recommendations in OSL dating. The study was supported by the Russian Science Foundation grant 19-77-10077 (OSL dating), by the Pleistocene paleogeography Laboratory, Faculty of Geography, MSU (state program № 121051100135-0, paleogeographic reconstructions) and Department of Quaternary Paleogeography (state program № 0148-2019-0005, field research). The study was carried out within the framework of the Development Program of the Interdisciplinary Scientific and Educational School of Lomonosov Moscow State University “The future of the planet and global changes in the environment” and with the support of the state assignment of the Department of Cryolithology, Faculty of Geography of MSU (state program № 121051100164-0, cryolithological research).

About the authors

N. A. Taratunina

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography RAS

Author for correspondence.
Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow; Moscow

V. V. Rogov

Lomonosov Moscow State University; Tyumen Scientific Centre SB RAS

Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow; Tyumen

I. D. Streletskaya

Lomonosov Moscow State University

Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow

T. A. Yanina

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography RAS

Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow; Moscow

A. N. Kurchatova

Tyumen Scientific Centre SB RAS; Tyumen Industrial University

Email: taratuninana@gmail.com
Russian Federation, Tyumen; Tyumen

M. S. Lukyanycheva

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography RAS

Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow; Moscow

R. N. Kurbanov

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography RAS

Email: taratuninana@gmail.com

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

Supplementary files