Новые схемы изобаз поднятия северо-востока Фенноскандии за последние 10 тысяч лет

После деградации последнего оледенения в конце плейстоцена территория северо-востока Фенно-скандии испытывает поднятие, затухающее во времени. Долгое время для определения амплитуды и характера поднятия изучались древние береговые образования (береговые валы, террасы и др.) [6, 7, 10 и др.]. Отсутствие данных об абсолютном возрасте береговых форм затрудняло их корреляцию в разных частях побережья, что приводило к различным интерпретациям амплитуды и характера поднятия. Существовало несколько схем изобаз позднеледникового и голоценового поднятий северо-востока Фенноскандии, различающихся между собой (рис. 1, a—e).

С конца XX века для определения поднятия земной поверхности применяется метод изолированных бассейнов [18], который основан на определении пространственного и временного положения переходной зоны от моря к пресному озеру, в колонках донных отложений из котловин озер. Данный метод позволяет для небольшого района исследования определить амплитуду и скорость поднятия земной поверхности. Такие работы выполнены на берегах Баренцева [16— 20] и Белого [2—5] морей. На основании этих данных построена схема изобаз поднятия земной поверхности северо-восточной части Фенноскандии (рис. 1, f) [11]. Необходимо отметить, что построение схемы изобаз поднятия выполнялось вручную. Характер изобаз на схеме показывает общее сводовое поднятие. В районе Кандалакшского залива Белого моря сводовое гля-циоизостатическое поднятие осложнено тектоническими движениями, связанными здесь с активностью Кандалакшского и Колвицкого грабенов в голоцене [1], и выражено на схеме искривлением изобаз (рис. 1, f). Во внутренних частях и на самом востоке района исследования положение изобаз вызывает сомнение из-за отсутствия данных и показано пунктирными линиями (рис. 1, f).

В последнее время были получены новые данные об амплитуде поднятия земной поверхности Кольского региона (северо-восток Фенноскандии) [12—14]. На основании появившихся и ранее известных данных с использованием различных методов компьютерного моделирования были построены новые схемы изобаз поднятия северо-востока Фенноскандии за последние 10 тыс. лет. Также для определения наиболее подходящего метода моделирования проведено их сопоставление между собой и с ранее построенной схемой, представленной на рисунке 1, f.

Рис. 1. Схемы изобаз поднятия северо-востока Фенноскандии:

a—e — построенные по данным изучения береговых форм рельефа (a — [6]; b — [7]; c — [10]; d — [6]; e — [9]); f — построенная по данным изучения донных отложений озерных котловин [11]. Каждая линия отражает значение амплитуды поднятия в метрах

• Fig.1. Schemes of isobases of uplift of northeastern Fennoscandia:

a—e — constructed according to the study of coastal landforms (a — [6]; b — [7]; c — [10]; d — [6]; e — [9]); f — constructed according to the study of sediments in lake basins [11]. The magnitude of the amplitude of the uplift is indicated in meters

Материалы и методы моделирования. Для построения изобаз поднятия земной поверхности были использованы данные, полученные методом изолированных бассейнов на территории Кольского региона, Карелии, а также Северной Норвегии. На рисунке 2, a показаны районы, для которых выполнены работы по изучению перемещения береговой линии моря. Для этих районов установлены амплитуда и характер поднятия земной поверхности в голоцене. Данные об амплитуде поднятия земной поверхности за 10 тыс. лет для каждого района приведены в таблице 1. Моделирование схем изобаз поднятия выполнялось в программе Surfer (Golden Software, Inc.).

Было выполнено построение схем изобаз интерполяционными и геостатистическими методами для дальнейшего сопоставления их с уже известной схемой изобаз и выявления наиболее приемлемых результатов моделирования. При построении схем анизотропия данных не учитывалась. Для построения схем изобаз поднятия были использованы несколько методов, описанных кратко в работе Мальцева и Мухарамова [8]:

• 1)    метод триангуляции с линейной интерполяцией — Triangulation with Linear Interpolation. Метод использует алгоритм построения триангуляции Делоне — разбиения области исследования на совокупность треу- 4

гольников. Вершинами треугольников являются соседние точки выборки; точки соединяются таким образом, что ребра треугольников не пересекаются. Триангуляция является точным интерполяционным методом;

• 2)    метод естественной окрестности — Natural Neighbor. Метод позволяет получать хорошие изоли-нейные карты по наборам данных, содержащим скопления выборочных точек в одних подобластях исследуемой территории и разреженные выборочные точки в других подобластях. Получаемая в произвольной точке оценка Z всегда будет заключаться в пределах диапазона значений в ближайших точках. В построенной модели не будет «пиков», «ям», «хребтов», «долин», которые не были бы представлены исходными данными. Метод является точным интерполятором;

• 3)    метод локальных полиномов — Local Polinomial. Этот метод оценивает зависимость пространственной переменной Z от координат X , Y , при этом использует кусочно-полиномиальное интерполирование. Он строит полиномиальную регрессию Z на X , Y по данным, попавшим в поисковый эллипс с центром в заданной точке области исследования, получая таким образом полиномиальное приближение в локальной окрестности этой точки. Поисковый эллипс определяет размеры и форму локальной окрестности, в кото-

• рой находятся точки данных при построении интерполяционной функции в заданном узле сети. Точки данных за пределами эллипса поиска не рассматриваются при интерполяции узла сети;

• 4)    кригинг (Kriging) является геостатистическим методом, основывается на вероятностной модели, рассматривающей изучаемую пространственную переменную Z ( X,Y) как реализацию случайной функции Z( X,Y). Такой подход позволяет учитывать пространственную корреляцию данных и дает возможность не только создавать модели поверхностей, но также получать оценку точности этих моделей.

Для применения метода кригинга предварительно должна быть определена модель вариограммы — меры пространственной корреляции данных. При построении схем изобаз поднятия использовалась линейная вариограмма. Точки, расположенные поблизости, имеют большую связь, чем те, которые расположены дальше. При росте расстояния вероятность взаимосвязи между значениями в точках измерений уменьшается, такая закономерность описывается линейной функцией.

Также при построении схем методом кригинга была использована функция линейного дрифта. Это функция предполагает, что в данных присутствует линейный тренд, и тогда оценка выполняется методом универсального кригинга . Без линейного дрифта оценка выполняется методом ординального кригинга .

Обсуждение схем изобаз поднятия. Разными методами были построены пять схем изобаз поднятия земной поверхности северо-востока Фенноскандии (рис. 2, b—f). Изобазы на схемах, полученных методом триангуляции с линейной интерполяцией (рис. 2, b) и методом естественной окрестности (рис. 2, c), имеют практически одинаковое положение. На баренце-воморском побережье амплитуда поднятия за 10 тыс. лет изменилась с востока на запад от 20 до 40 метров. На беломорском побережье амплитуда поднятия увеличилась к вершине Кандалакшского залива, где её значение составляет 80 метров. На данных схемах видно, что на баренцевоморском побережье в районе Кольского залива происходит изменение направления изобаз. Если западнее Кольского залива изобазы идут вдоль береговой линии, то восточнее изобазы

Рис. 2. a — район исследования, для которого выполнено моделирование схем изобаз поднятия за последние 10 тыс. календарных лет. Цифрами в красных кружках показаны районы из таблицы 1:

(b—f) — схемы изобаз поднятия, построенные разными методами (b — триангуляция с линейной интерполяцией , c — метод естественной окрестности , d — метод локальных полиномов , e — кригинг , f — кригинг с линейным дрифтом)

Fig. 2. (a) The study area for which modeling the schemes of isobases of uplift for the last 10,000 calendar years was carried out. Numbers in red circles show the areas from Table 1.

(b—f) Schemes of isobases of uplift, constructed by various methods (b — « triangulation with linear interpolation », c — the method of « natural neighborhood », d — the method of « local polynomials», e — « Kriging», f — « Kriging» with linear drift)

Данные для моделирования схем изобаз поднятия земной поверхности северо-востока Фенноскандии за 10 тыс. календарных лет

Data for modeling the isobases of the uplift of the earth's surface in northeastern Fennoscandia for the last 10000 calendar years

№ Район / Area Координаты / Position Амплитуда поднятия, м Uplift amplitude, m Источник Source E N 1 п-ов Нордкин, Норвегия Nordkinn Peninsula, Norway 27,25 70,92 13,2 [19] 2 п-ов Варангерфьорд, Норвегия Varangerfjord Peninsula, Norway 28,94 70,08 42,0 [18] 3 г. Никель, Россия / Nikel City, Russia 30,19 69,64 60,0 [16] 4 г. Полярный / Polyarny City 33,40 69,19 36,0 [17] 5 пос. Териберка / Teriberka settl. 35,13 69,17 15,0 [14] 6 пос. Дальние Зеленцы / Dalniye Zelentsy settl. 36,02 69,11 14,0 [20] 7 г. Кола / Kola City 33,01 68,88 46,5 [12, 13] 8 пос. Верхнетуломск / Verkhnetulomsk settl. 31,83 68,70 65,0 [12, 13] 9 р. Лотта (устье) / Lotta River (mouth) 30,39 68,73 101,3 [12] 10 р. Лотта (среднее) / Lotta River (middle) 29,61 68,62 115,0 [12] 11 г. Кандалакша / Kandalaksha City 32,43 67,17 98,6 [11] 12 г. Умба / Umba City 34,20 66,69 41,2 [2] 13 пос. Лесозаводский / Lesozavodsky settl. 32,75 66,72 58,3 [11] 14 пос. Чупа / Chupa settl. 32,81 66,27 61,7 [5] 15 пос. Энгозеро / Engozero settl. 34,42 65,81 30,5 [4] 16 пос. Кузема / Kuzema settl. 34,24 65,36 46,5 [3] 17 мыс Корабль / Korabl Cape 36,51 66,20 15,0 [11] 18 р. Индера / Indera River 37,12 66,31 0,0 [11] начинают пересекать берег. В восточной части района исследования из-за отсутствия данных изобазы не построены. При сопоставлении новых схем (рис. 2, b и рис. 2, c) с ранее построенной схемой (рис. 1, f) отмечено схожее положение линий в прибрежных частях. Это связано с тем, что основная часть районов, по которым строились изобазы, расположена на побережье. В пределах Кандалакшского залива Белого моря как на новых схемах, так и на ранее построенной схеме отмечается небольшое изгибание изобаз, что указывает на тектоническую активность в голоцене Кандалакшского и Колвицкого грабенов. Значительное расхождение между новыми и ранее построенной схемами отмечается во внутренней и восточной частях северо-востока Фенноскандии из-за небольшого количества данных либо их полного отсутствия.

Методом локальных полиномов была получена сглаженная схема изобаз поднятия (рис. 2, d). На схеме максимальная амплитуда поднятия достигает 180 м в юго-западной части района исследования. Как и на предыдущих схемах, на баренцевоморском побережье изменение направления изобаз происходит в районе Кольского залива. Схема хорошо сопоставляется с ранее построенной (рис. 1, f) и отражает общий характер поднятия земной поверхности, но при этом теряются локальные искривления линий, вызванные тектоническими особенностями определенных районов. Также отмечается некоторое расхождение значения амплитуды поднятия на баренцевоморском побережье: если на ранее построенной схеме амплитуда под- 6

нятия в районе полуострова Рыбачий составляла 20— 30 м (рис. 1, f), то на данной схеме её значение увеличилось до 40—50 м (рис. 2, d).

Методом кригинга были построены две схемы изобаз (без дрифта (рис. 2, e) и с линейным дрифтом (рис. 2, f)). Как видно из построенных схем изобаз поднятия, разница в полученных результатах существенная только для районов, где данные об амплитуде поднятия отсутствуют (особенно для юго-западной части района исследования). В западной части района исследования на схеме изобаз (рис. 2, e) кольцевое замыкание изобаз со значением 100 и 110 метров может быть исключено. В направлении на юго-запад амплитуда поднятия продолжает возрастать вплоть до района Ботнического залива Балтийского моря, где её величина за 10 тыс. лет составляет примерно 240 метров [15]. В остальном эти новые схемы показывают куполообразный характер поднятия северо-восточной части Фенноскандии. Здесь аналогично схеме на рисунке 1, f в пределах Кандалакшского залива Белого моря отражено небольшое искривление изобаз поднятия, что связано с тектонической активностью. Однако при сопоставлении с ранее построенной схемой (рис. 1, f), как и на схеме локальных полиномов (рис. 2, d), в районе полуострова Рыбачий отмечается более высокое значение амплитуды поднятия (40—50 м) (рис. 2, f).

Таким образом, на полученных схемах наблюдается схожий характер поднятия земной поверхности. Видно, что поднятие имеет куполообразный вид, максимальная амплитуда отмечается на юго-западе района исследования (более 120 м). С запада на восток происходит постепенное уменьшение величины поднятия. На всех схемах видно, что на баренцевомор-ском побережье в районе Кольского залива происходит изменение направления изобаз. Если западнее Кольского залива изобазы идут вдоль береговой линии, то восточнее изобазы начинают пересекать берег. По мнению авторов, это связано с характером деградации последнего ледникового покрова на данной территории.

Имеются и некоторые отличия в построенных схемах. В районе полуострова Рыбачий отмечается различное значение амплитуды поднятия земной поверхности. На одних схемах (рис. 2, b, c), так же как и на ранее построенной схеме (рис. 1, f), её значение составляет 20—30 метров, на других схемах (рис. 2, d—f) 40—50 метров. Также приличный разброс значения амплитуды поднятия и искривленный ход некоторых изобаз (нулевая изобаза) отмечается на юго-западе и востоке района исследования. Для решения этих вопросов необходимо продолжать исследования вертикальных движений земной поверхности северо-востока Фенноскандии.

Анализ новых схем изобаз поднятия, а также их сопоставление с ранее построенной схемой показал, что при данном количестве данных наиболее подходящим методом для построения являются методы естественной окрестности — Natural Neighbor и кригинга с линейным дрифтом . Однако отсутствие вычисления значения амплитуды поднятия на территориях, для которых отсутствуют данные, можно отнести к недостаткам метода естественной окрестности .

Выводы. На основании данных об амплитуде поднятия, полученных при изучении донных осадков изолированных котловин, были построены новые схемы изобаз. Установлено, что при небольшом количестве данных наиболее пригодные результаты моделирования схем изобаз поднятия отмечаются методами естественной окрестности и кригинга с линейным дрифтом. Из схем видно, что поднятие земной поверхности имеет куполообразный характер, амплитуда поднятия увеличивается в направлении на юго-запад Кольского региона, где её значение достигает более 120 м. В пределах Кандалакшского залива происходит искривление изобаз поднятия, что связано с тектонической активностью Кандалакшского и Колвицкого грабенов в этом районе в голоцене.

Работа выполнена в Геологическом институте КНЦ РАН (тема 0226-2019-0054) при частичной поддержке гранта РФФИ № 16-05-00311-А и № 18-35-00054-мол_а.