БАЙКАЛЬСКИЙ БУРОВОЙ ПРОЕКТ:
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Кузьмин Михаил Иванович – директор Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Родился 20.06.1938 г. в Москве. В 1960 г. окончил геологический факультет МГУ и поступил на работу в Иркутский институт геохимии. Член-корреспондент РАН с 1991 г., доктор геолого-минералогических наук, лауреат Государственной премии РФ за 1997 г. Специалист в области геохимии, геодинамики петрологии, автор более 200 публикаций, в том числе 15 монографий, посвященных проблемам геохимии магматических пород, глубинной геодинамике, горячим полям Земли, геохимии осадков оз. Байкал. М.И. Кузьмин является руководителем Координационного комитета международной программы «Байкал-бурение». В процессе проведенных по этой программе исследований получена непрерывная палеоклиматическая запись для Центральной Азии за последние 10 млн. лет. В предлагаемой статье рассматриваются некоторые результаты изучения кернов донных осадков оз. Байкал.

 

М.И. Кузьмин

Одна из важнейших задач человечества в настоящее время – сохранение окружающей среды для будущих поколений. Для этого надо знать, как сама природа изменяла климатические и другие условия на нашей планете, которые приводили к изменению уровня океана, появлению и исчезновению ледниковых покровов, изменению циркуляций воздушных масс, появлению и исчезновению теплых и холодных течений в океанах и т.д. Для того чтобы знать и понять, что будет с Землей в будущем, нужно узнать ее прошлое, которое является ключом к познанию будущего. Зная, как менялись условия окружающей среды, в первую очередь климат на нашей планете, можно говорить о том, какие антропогенные нагрузки можно допустить человеку, чтобы не произошло необратимых процессов, способных уничтожить жизнь на Земле. Для познания прошлого необходимо расшифровать «геологические записи» о природных обстановках, которые заключены в геологических разрезах. Мы знаем, что ледниковые и межледниковые эпохи закономерно сменяли друг друга в последние десятки миллионов лет. Это связано с положением Земли на солнечной орбите [17], о чем говорят и исследования морских осадков, в частности изотопного состава кислорода в известковистом скелете фораминифер [16].
Детальное изучение изменения изотопного состава известковистых остатков фораминифер согласуется с теоретическими расчетами М.Миланковича, сделанными на основе орбитальных параметров Земли, что дало большие возможности исследовать климат прошлого в океанических акваториях. В настоящее время в океанах пробурены сотни скважин, по многим из которых детально изучены вариации климата. Изменение изотопного состава кислорода применялось к исследованию льдов, что также позволяет составить детальную картину климата прошлого.
Изучение климата прошлого на континентах затруднено, хотя после работ на озере Бива в Японии [2] началось подробное исследование осадков озер, по которым можно восстанавливать климатическую летопись. С подобной целью уделялось большое внимание лессам Азии, позволяющим восстановить отдельные климатические эпохи. Однако долговременные непрерывные климатические записи на континентах получить практически невозможно. Поэтому уникальным объектом в этом отношении является озеро Байкал.
Почему Байкал наиболее перспективен для изучения палеоклимата? Это озеро является частью Байкальской рифтовой зоны, занимая в ней центральное положение. Развитие рифтовой зоны началось после столкновения Евразии с Индийской плитой, произошедшего в начале олигоцена (около 40 млн. лет назад). В результате этого столкновения Азиатский континент раздробился на серию плит. На границе малой Амурской и Евразиатской плит в результате их вращения друг относительно друга стала формироваться Байкальская рифтовая зона с глубочайшей Байкальской впадиной.
Байкал расположен в высоких широтах Азиатского континента (рис. 1). Озеро состоит из трех глубоких котловин, отделенных друг от друга поднятиями. Северная котловина, имеющая глубины порядка 900 м, отделяется от Центральной, наиболее глубокой (максимальная глубина 1634 м), подводным Академическим хребтом. Центральная и Южная котловины (наибольшие глубины последней около 1400 м) разделены Селенгино-Бугульдейской перемычкой, образован-ной во многом осадками, выносимыми самой крупной впадающей в Байкал рекой Селенгой.
Местоположение озера, древнейший возраст и непрерывность осадочного разреза определяют его перспективность для изучения палеоклимата. Расположение Байкала в высоких широтах делает этот водоем наиболее чувствительным к изменениям солнечной радиации. Именно в районе Байкала наклон орбиты планеты и прецессия определяют наибольшие изменения поступающей на Землю солнечной радиации, поэтому изменения этих параметров во времени должны четко проявляться в любых «климатических записях». Расположение Байкала в центре Азиатского континента, где преобладает резко континентальный климат, делает водоем идеальным для изучения сезонных изменений климата. Отсутствие покровного оледенения на озере определяет непрерывность климатических записей в его донных осадках за последние 30-35 млн. лет. Наконец, Байкал - единственное озеро в Северном полушарии с многомиллионной историей. Кроме того, это современная развивающаяся рифтовая система, что дает возможность в процессе наших работ исследовать закономерности формирования континентальных осадочных рифтовых бассейнов, а также получать данные по геологии Байкальской рифтовой системы. Все это определяет интерес мирового научного сообщества к Байкалу, так как именно здесь можно получить единственную непрерывную климатическую континентальную запись для Северного полушария Земли.
Краткая история программы «Глобальные изменения природной среды и климата Центральной Азии на основе комплексных исследований осадков озера Байкал». Изучение Байкальской рифтовой зоны давно проводится российскими учеными. Были выяснены основные геофизические поля, геологическая история региона, особенности осадконакопления в водоеме. В 1988 г. российские ученые по инициативе члена-корреспондента РАН Л.П. Зоненшайна подготовили программу «Глубоководная экология, палеоэкология и геодинамика Байкала», предусматривающую широкий круг геологических и геофизических исследований по изучению истории озера и строению его осадочного чехла. Для исследований планировалось использовать подводные обитаемые аппараты «Пайсис». В 1989 г. в рамках программы сотрудниками Южного отделения Института океанологии РАН и Лимнологического института СО РАН было проведено многоканальное сейсмическое профилирование, выявившее очень мощные (до 8 км) отложения осадков на дне озера.
В том же году после XXVIII сессии Международного геологического конгресса профессор Университета Южная Каролина в городе Колумбия Даг Вильяме предложил российским ученым начать работы по подготовке бурения на Байкале. Разработку технической части программы взяло на себя Государственное научно-техническое предприятие (ГНТП) «Недра», возглавляющее в России программу глубокого континентального бурения, пробурившее самую глубокую в мире Кольскую скважину. В 1989 г. во встрече в г. Колумбия принял участие и профессор Ш. Хорие (Япония), руководивший первым озерным бурением на озере Бива. А позднее, в 1992 г., к проекту присоединилась большая группа японских специалистов (Японская Байкальская ассоциация), возглавляемая доктором Т. Каваи. С 1995-97 гг. в качестве ассоциированных членов в программе принимали участие немецкие коллеги. С российской стороны в исследованиях активно участвуют сотрудники ряда организаций, в первую очередь институтов Иркутского научного центра - Института геохимии, Лимнологического института, Института земной коры. Постоянную поддержку выполнению программы оказывал академик В.А. Коптюг, а ныне оказывает академик Н.Л. Добрецов, а также Министерство науки и технологий РФ. С момента формирования Государственной научно-технической программы «Глобальные изменения природной среды и климата» программа «Глобальные изменения природной среды и климата Центральной Азии на основе комплексных исследований осадков озера Байкал» входит в ее состав в качестве отдельного проекта.
Геофизические исследования, проводившиеся российскими и американскими учеными в 1989 и 1992 гг., позволили оценить строение Байкальской осадочной толщи. Наибольшей мощности (до 8 км) осадки достигают в Южной и Центральной котловинах, наименьшей (до 4 км) - в Северной. Нижний горизонт, имеющий в Южной и Центральной котловинах мощность до 4—5 км, - сейсмопрозрачный. Верхние горизонты - второй и третий - характеризуются хорошей слоистостью, поэтому они могут успешно использоваться для палеоклиматического изучения.
Подводные геологические работы были направлены в большей степени на изучение поднятий - Посольской банки и особенно Академического хребта. В основании разреза осадков Академического хребта, лежащих на его метаморфическом основании, был обнаружен горизонт гальки, залегающий в глинистом материале. Его возраст на основе споропыльцевого анализа был определен как поздний миоцен (5-10 млн. лет). Было высказано предположение, что в это время произошло разрушение сухопутного барьера Академического хребта и началось формирование Северной котловины, которая существенно моложе Центральной и Южной. До начала опускания Академического хребта река Баргузин, впадающая в Центральную котловину, возможно, имела другое русло и пересекала Академический хребет, благодаря чему по южной бровке хребта сформировалась мощная (до 7.5 км) осадочная толща. Хорошо стратифицированные отложения вершины хребта фиксируют условия спокойного осадконакопления от начала опускания хребта до настоящего времени.
Изучение верхнего слоя осадков проводилось сотрудниками Лимнологического института вместе с иностранными коллегами - участниками Международного Байкальского центра экологических исследований (BISER). В основном работы были направлены на изучение вещественного состава осадков и на определение скорости осадконакопления. Скорость осадконакопления в различных частях озера изменяется от 0.12-0.2 до 0.03-0.04 мм в год. Наименьшие скорости оказались на Академическом хребте, более высокие - на Селенгино-Бугульдейской перемычке и в глубоких котловинах озера. Было установлено также, что в верхней части осадков Байкала четко выделяются два ритма. Первый представлен слоем, сложенным существенно биогенными илами, содержащими множество остатков кремнистых диатомовых водорослей. Его подстилает слой терригенных осадков, где содержание диатомовых водорослей минимально, а размер слагающих осадок частиц менее 60 мкм. Такие ритмы повторяются на всей глубине получаемого трубками осадка. Было высказано предположение, что диатомовые илы формируются в теплые эпохи межледниковья, а терригенные - в холодное ледниковое время. Это, несомненно, указывало на то, что осадки Байкала четко реагируют на климатические вариации.
В это же время специалистами ГНТП «Недра» был создан комплекс «Байкал», осуществляющий экологически чистое бурение, что особенно важно для озера. Последний вариант комплекса, собранный в 1997 г. на основе 1000-тонной баржи, позволяет бурить скважины глубиной до 1000 м при глубине воды 900-1000 м, а выход керна составляет 95-98%. В 1998 г. специалисты по океаническому и континентальному бурению из США и Германии дали высокую оценку проводимым работам. По их мнению, методология и качество бурения на Байкале во многом превосходят мировые образцы.
Были различные варианты постановки буровой на Байкале. Однако опыт, полученный нами, показал, что удобнее всего бурить с баржи, где смонтировано оборудование. На место бурения баржа выводится теплоходом. Последний в дальнейшем служит базой, обеспечивающей выполнение буровых работ. За период с 1993 г. по настоящее время пробурено пять кустов скважин (см. рис. 1): на Бугульдейско-Селенгинской перемычке при глубине воды 351 м глубина скважины 100 м; на Академическом хребте при глубине воды около 320 м в 1996 г. глубина скважины до 300 м, в 1998 г. - до 670 м; в Южной котловине в 1997 г. - при глубине воды 1427 м глубина скважины 200 м; на Посольской банке в 1999 г. – при глубине воды 200 м глубина скважины 350 м.
Постановка комплекса в точку бурения - очень сложное мероприятие. Надо знать четкий прогноз погоды и постоянно следить за становлением льда на Байкале. Этой информацией нас обеспечивают сотрудники Института солнечно-земной физики СО РАН, которые постоянно по-лучают и расшифровывают космические снимки Байкала. Но все равно каждый год озеро проявляет свой норов. Не один раз комплекс сдавливало льдом, он попадал в зону торошения. В 1996 г. баржа получила большую пробоину, которую команда судна сумела ликвидировать. В 1997 г. комплекс зажало льдами, он не смог пробраться в Северную котловину, где было намечено бурение, и с огромной льдиной, окруженной зоной торошения в несколько сотен метров, почти три недели дрейфовал по Южной котловине и остановился в точке с глубиной воды 1427 м. Эти факты свидетельствуют о необходимости тщательной подготовки экспедиции, подбора специалистов, способных правильно принимать и выполнять решения.
Особенности осадконакопления в различных морфоструктурах Байкала. Подробное описание всех пробуренных скважин опубликовано в ряде статей в отечественных и международных журналах [5-9], поэтому здесь приведены только основные результаты, полученные в ходе выполнения программы. Одним из важных достижений бурения явилось выяснение условий осадконакопления в различных морфоструктурах озера Байкал.
Первая скважина была пробурена на Бугульдейской перемычке в 7 км на юго-восток от реки Бугульдейки. Геологические исследования показывают, что ранее река вытекала из Байкала и впадала в Лену. Это время отвечает манзурской эрозионно-тектонической стадии. В дальнейшем в необайкальской стадии, в связи с крупными тектоническими движениями и ростом Приморского хребта, возвышающегося по западному борту Байкала, речная сеть перестроилась и сформировалось русло Бугульдейки, впадающей в Байкал. Эти данные подтверждаются сейсмическими профилями, показывающими, что осадочные трещины в районе бурения разбиты на два сейсмостратиграфических комплекса, разделенных несогласиями, фиксирующимися ниже 100 м, то есть скважины вскрыли только верхний сейсмостратиграфический горизонт.
На рис. 2 показан разрез Бугульдейской скважины. Осадочная толща в районе бурения представлена плотными тонкозернистыми алеврито-пелитовыми илами, сложенными терригенным и биогенным материалом. Устанавливается ритмичность осадочного разреза. Каждый ритм имеет слой, обогащенный остатками диатомовых водорослей, и слой, представленный терригенным материалом глинистой размерности. Такие ритмы, состоящие из двух слоев - диатомового и чисто терригенного ила, прослеживаются практически до забоя скважин.
Глины и диатомовые илы различаются по содержанию биогенного кремнезема и соответственно по уровню магнитной восприимчивости. Это связано с тем, что остатки диатомовых сложены не магнитным биогенным кремнеземом, а также алеврито-пелитовым материалом, в котором имеются магнитные минералы, что определяет различия в магнитной восприимчивости диатомовых и терригенных илов. Это позволило палеомагнитологам сравнить Байкальские разрезы с кислородной морской кривой [14].
Характерной особенностью Бугульдейского разреза является увеличение грубозернистого материала в низах разреза, что связывается с интенсивной проработкой русла реки Бугульдейки в начальный период ее развития, а также наличие в разрезе турбидитных прослоев, образованных временными мутьевыми потоками, связанными, возможно, с сезонными паводками реки Бугульдейки. Такие прослои образованы более грубозернистым материалом, несущимся с берегов; нижние границы этих прослоев неровные, размытые, и мощность их в Бугульдейском разрезе не превышает 1.5-2 см.
Другой тип осадочного разреза выявлен на Академическом хребте, где подводный хребет отделен от берегов глубокими бассейнами. Он возвышается над ними на 400-600 м. Эти глубокие ванны препятствуют поступлению на хребет грубого материала с берегов. На него поступают осадки только из водной толщи. Их мощность на вершине хребта в районах бурения 1996 и 1998 годов составляет около 1000 м, причем геофизическими исследованиями здесь установлена хорошо стратифицируемая толща осадков, разделенная двумя несогласиями. Нижнее несогласие, расположенное на глубине около 400 м, как считали некоторые исследователи, имеет возраст всего 1.5-2 млн. лет. Однако данные бурения показывают, что оно значительно древнее, а значит, глубокие котловины Байкала существовали, по крайней мере, 5 млн. лет (таков возраст осадков забоя 200-метровой скважины на Академическом хребте).
Осадки Академического хребта, как и на Бугульдейке, представлены алеврито-пелитовыми биогенными илами. В разрезе скважин BDP-96-1 не отмечается перерывов и несогласий. Полностью отсутствуют турбидитные прослои. Грубый материал если и есть, то только в качестве отдельных линзочек, что связано с переносом песчаного материала по льду и попаданием его в осадок только после таяния льда. Разрез имеет ритмичность, связанную с чередованием диатомовых илов с терригенным глинистым осадком, и прослеживается на 200 м. Литологические особенности вскрытых на Академическом хребте осадков свидетельствуют о постоянстве условий осадконакопления во время формирования вскрытой осадочной толщи, то есть отсутствовали условия поступления осадочного вещества с берегов. Материал, слагающий осадок, поставлялся только из водной толщи. Очевидно, такие разрезы - самые удобные для палеоклиматических исследований.
Другой тип разреза характерен для осадочной толщи глубоких котловин, вскрытых в 1997 г. в Центральной части Южной впадины (см. рис. 1). Здесь наряду с глубоководными озерными осадками широкое развитие получили турбидитовые пробои, сложенные гравийно-песчаным материалом. Вверх по разрезу они постепенно переходят в глубоководные озерные отложения. Прослоям свойственна четко выраженная градационная слоистость, обусловленная сменой грубозернистого материала, слагающего низы прослоев, все более мелкозернистым материалом в верхней части прослоя. Перечисленные данные свидетельствуют об отложении этого материала из временных водных потоков, переносящих береговой материал далеко в глубоководные озерные котловины. Подобные турбидитные потоки известны на окраинах океанов, где, по образному выражению Л.П. Лисицина [11], происходит «лавинная седиментация», так как перенос огромного количества осадочного материала временным водным потоком, несомненно, может быть сравнен с подводной лавиной. Турбидитные потоки несут в глубь озера большое количество растительных остатков. Они быстро захороняются и могут быть источником органических углеводородов. Действительно, в глубоководных котловинах озера наблюдается повышенное содержание углеводородов. Они при высоком давлении, свойственном котловинам Байкала, образуют газогидраты. Это явление было теоретически предсказано В.А. Голубевым. Бурение 1997 г. подтвердило прогнозы. С глубин 121 и 161 м были подняты образцы газогидратов, детально изученные в лабораториях ряда институтов Новосибир-ска [9, 10]. Состав газогидратов - СН4 • 6Н2О, а по изотопному составу углеродов можно судить о биогенной природе метана. Таким образом, в процессе выполнения программы удалось впервые полу-чить газогидраты в пресном водоеме.
Характер осадкообразования в различных морфоструктурах Байкала, являющегося типичным рифтовым озером, таким образом, существенно отличается. На поднятиях, таких как Академический хребет, отделенных от берегов глубокими котловинами, отмечается глубоководное озерное осадконакопление. Осадочные разрезы, полученные с таких морфоструктур озера, наиболее информативны для составления непрерывных палеоклиматических записей. Ведь характер осадкообразования в таких структурах будет изменяться только в зависимости от внешней обстановки, связанной с природной средой и климатом.
Глубоководные котловины рифтовых впадин отличаются лавинным характером седиментации. Поэтому такие структуры могут быть сопоставлены с пассивными окраинами океанов, для которых подобный характер седиментации установлен уже давно [11]. Но если углы наклона на окраинах океана составляют 4-8°, а турбидитные потоки прослеживаются на тысячи километров, то борта глубоководных котловин Байкала имеют угол наклона от 15° до 30°, так что турбидитные потоки во впадинах озера могут полностью перекрывать их дно. Исследование разрезов имеет большое значение для определения динамики формирования рифтовых впадин, для изучения характера образования в них углеводородов, а также особенностей становления осадочных континентальных бассейнов. Очевидно, что разрезы, свойственные Бугульдейской перемычке, имеют промежуточный характер. Их изучение позволяет детально описать историю рифтового бассейна, а также получить отрезки климатической летописи с лучшими разрешениями, чем на Академическом хребте, так как скорости осадкона-копления в них значительно выше.
Непрерывная запись осадков Академического хребта, накопленных за 5 млн. лет. Интересные палеоклиматические данные получены на Бугульдейской перемычке и на Академическом хребте. Но остановимся сначала на скважинах BDP-96. Их разрез можно рассматривать как модельный для континентов, и в качестве непрерывной долговременной записи он превосходит все морские.
Для расшифровки сигналов палеоклимата необходимы точные измерения возраста осадков. К сожалению, известные углеродные методы могут дать определение до 30-50 тыс. лет. Ограниченные интервалы могут быть рассчитаны и другими методами определения абсолютного возраста. Надежные данные можно получить с помощью палеомагнитных измерений, так как установлено, что на Земле существовали эпохи современной и обратной намагниченности. При обратной намагниченности Южный и Северный магнитные пояса как бы меняются местами. Последнее изменение произошло около 800 тыс. лет назад. Современная магнитная эпоха называется Брюнес, предыдущая - Матуяма. Палеомагнитные изменения на Академической скважине были проведены тремя исследовательскими группами - российско-американской, японской и немецкой. Все результаты по-казали хорошую сходимость, что свидетельствует об отличном качестве керна. Скважина вскрыла четыре палеомагнитные эпохи: Брюнес, Матуяма, Гаусс и Гильберт. Возраст забоя скважины был определен в 5 млн. лет. О качестве керна свидетельствуют исследования, проведенные на криогенном магнитометре в палеомагнитной лаборатории Японии. Как известно, наряду с геомагнитными эпохами палеомагнитчики выделяют кратковременные отклонения от среднего палеомагнитного направления. В керне с Академического хребта, исследованного на криогенном магнитометре, бы-ли найдены известные и новые экскурсы, названные предварительно BDP-15, BDP-96-17 и т.д. Разработанный в Институте геохимии СО РАН U-Th-метод определения возраста осадков, позволяющий определять возраст до 1 млн. лет, может уточнить возраст ряда экскурсов. Все это говорит о том, что разрез Академического хребта можно рассматривать в качестве модельного для палеомагнитной шкалы кайнозоя.
200-метровая скважина на Академическом хребте вскрыла осадочный разрез возраста 5 млн. лет. В этот промежуток времени скорость осадконакопления была постоянной - около 4 см в 1000 лет. В то время в районе Академического хребта отмечались близкие к современным условия осадконакопления.
Как уже упоминалось, морские изотопные кислородные записи хорошо фиксируют изменения климата на Земле, которые обусловлены сменой орбитальных параметров согласно теории М. Миланковича [16, 17]. На рис. 3 приведена измененная кривая содержания остатков диатомовых водорослей, которая хорошо согласуется с кривой изменения биогенного кремнезема, в керне скважины BDP-96-1. На этом же рисунке показана и кислородная океаническая кривая.
Хорошо заметны одинаковые тенденции изменения байкальских и океанических климатических параметров. Сравнение этих записей можно провести с помощью специального спектрального сравнительного анализа [19] обеих кривых. Для них выделяются 100-, 44-, 23- и 19-тысячелетние климатические циклы, связанные с положением Земли на Солнечной орбите. Для континентов и океанов изменение климата за последние 5 млн. лет обусловлено единой астрономической причиной.
На фоне общей тенденции снижения тепла в байкальской записи отмечается два значительных минимума [1, 4, 19]. Возрастной интервал первого, более древнего, похолодания соответствует 2.8-2.5 млн. лет. Его длительность составляет 300 тыс. лет. Второй интервал возраста 1.75-1.45 млн. лет имеет такую же продолжительность, как первый. Судя по продуктивности Байкала в отношении диатомовых водорослей, можно предполагать, что после первого похолодания наступило потепление климата, сравнимое с плиоценовым временем. После второго минимума степень похолодания возросла и климат на планете стал значительно прохладнее [4].
Эпизоды похолодания подтверждаются данными палинологического анализа [1] и анализа видового состава диатомий [13]. Древний период похолодания характеризуется снижением доли древесных пород (погибают широколиственные деревья). Очень активно развивается травянистая растительность, то есть произошло значительное похолодание и иссушение климата [1]. По мнению палинологов, на горных склонах произошла смена преимущественно лесных сообществ на разреженные лесные и формирование холодных степей и моховых болот на побережье Байкала. В то же время похолодание в Байкальской котловине не было очень значительным и не сопровождалось оледенением.
Видовой состав диатомовых водорослей в этот холодный период характеризуется сменой рода Stephanopsic водорослями нового рода - Tertiarius. В то же время потепление климата после 2.4 млн. лет приводит к полному выпадению диатомовых рода Tertiarius. Их место занимает новый вид - Cyclotella praetempetei [13].
Во время второго (1.75-1.45 млн. лет) периода похолодания климата происходит уменьшение роли древесной растительности и возрастание роли трав (широколиственные деревья практически исчезают). Ландшафты получили лесотундровый облик, что позволяет предполагать развитие в Прибайкалье горных ледников [1]. Диатомовые водоросли вида Cyclotella praetempetei, свойственные предшествующему теплому периоду, сменились диатомиями того же рода - Cyclotella comtae-formicu [13].
Общий палеоклиматический анализ, основанный на количественных оценках остатков диатомовых водорослей или содержаний в осадках биогенного кремнезема, а также данные по видовому составу диатомий и палинологический анализ доказывают существование эпизодов похолодания в позднем кайнозое, произошедших в интервалах 2.8-2.5 и 1.75-1.45 млн. лет. Важно подчеркнуть, что эти похолодания отмечаются в морских записях, а также фиксировались на Аляске, в Исландии, Европе, Западной Сибири и ряде других мест [4].
Непрерывность байкальской записи и ее хорошая возрастная привязка позволяют уточнить возраст перечисленных выше глобальных климатических событий, проявленных не только в Центральной Азии, но и на Евразиатском континенте и в целом в Северном полушарии Земли.
Особо остановимся на результатах, полученных по самой глубокой 600-метровой скважине, пробуренной на Академическом хребте в 1998 году. Подробно первые данные по этой скважине рассмотрены в работе [7]. На рис. 4 показаны места бурения скважин 1996 и 1998 годов на сейсмостратиграфическом разрезе, полученном вдоль Академического хребта российско-американскими исследователями [15].
Согласно Т.Мур и др. [18], верхний тонкослоистый комплекс «А» мощностью менее 200 метров связывается с Ангарской (назван по имени р. Верхняя Ангара) фазой развития Байкала.
Мощность нижнего сейсмокомплекса «В» превышает 1000 м, и формирование его происходило во время Баргузинской фазы развития Байкала. Сейсмокомплексы «А» и «В» разделены сейсмостратиграфическим несогласием - акустическая граница В10. Нижний комплекс «В» включает две пачки, имеющие различные сейсмические характеристики. Верхняя тонкослоистая пачка (В10 - В6) формировалась в относительно спокойных озерных условиях. Нижняя пачка (В6 - В5) характеризуется наличием клиноформ, которые являются показателем формирования в условиях дельты Палеобаргузина. Характер сейсмической картины указывает, что транспорт осадков осуществлялся с востока на запад [18]. По простиранию на северо-запад эти дельтовые отложения замещаются слоистой толщей, формирование которой было связано с поступлением более тонкого осадочного материала из палеореки за пределы дельты.
Самая нижняя часть толщи (В4 - В1) сложена деформированными осадками, с прерывистым рисунком отражения акустического сигнала. Осадки этой толщи выполняют понижения фундамента, нередко занимают их склоны, залегая на фундаменте с несогласием прилегания. Согласно осторожной оценки Т.Мура с коллегами [18], возраст начала Ангарской фазы, отмеченный эрозионной границей В10, соответствует границе нижнего и верхнего плиоцена (примерно 3,5 млн. лет). А сама граница В10 отвечает необайкальской фазе рифтогенеза. Согласно В.Г.Казьмина и др. [3], возраст этого несогласия оценивается как раннеплейстоценовый.
Палеомагнитные данные дают уверенное определение возраста отложений, вскрытых BDP-96 до глубины 277 м, возраст которых 6,56 млн. лет. Средняя скорость осадконакопления в этот промежуток времени равна 4,22 см в 1000 лет. Указанная скорость в целом коррелируется со скоростью осадконакопления на Академическом хребте, определенной по скважине BDP-96. Некоторое увеличение скорости в BDP-98 согласуется с небольшим увеличением мощности слоев, что можно видеть на сейсмическом разрезе. Если принять полученную среднюю скорость за основу, то можно оценить возраст забоя на глубине 600 м 14,5 млн. лет. Однако, при литологическом описании керна было установлено, что к низам разреза увеличивается в осадках количество грубого материала, появляются песчаные прослои и турбидиты. Все это свидетельствует об увеличении скорости осадконакопления и соответственно о более молодом возрасте забоя скважины.
В связи с этим была сделана попытка оценки возраста осадков скважины ниже «палеомагнитного уровня» (277 метров) с применением специального приема, что описано в работе [7].
В результате получили, что в интервале 280-400 метров скорость седиментации 5,5 см в 1000 лет. На основании этой скорости можно оценить возраст осадков на глубине 400 метров в 8,8 млн. лет. В интервале 400-480 метров скорость возрастает до 13,7 см в 1000 лет, соответственно возраст осадков на глубине 480 метров составляет 9,4 млн. лет.
Ниже этого интервала орбитальные частоты, что было использовано для верхнего интервала, выделить не удалось. Очевидно, это связано с сильными флуктуациями скорости осадконакопления. Если оценить возраст последних 120 метров по скорости вышележащего интервала, то возраст осадков на глубине 600 метров будет 10,3 млн. лет. Этот возраст заведомо несколько завышен.
Важным результатом бурения BDP-98 было определение скоростей сейсмических волн при каротаже скважины [7]. Используя данные по скоростям сейсмических волн в осадках, были оценены глубины сейсмостратиграфических границ. На рис. 4 показаны положения акустических границ, а также истинные глубины, рассчитанные по средним скоростям сейсмических волн, полученным исходя из данных акустического каротажа. Граница В10 расположена в скважине BDP-98 на глубине около 100 метров, В6 - на глубине 560 метров. Эти границы, согласно интерпретации Т.Мура [18] и В.Г.Казьмина [3], являются главными акустическими границами, которые они связывали с основными эрозионными несогласиями. Однако, как следует из литологических исследований, на этих интервалах не отмечается эрозионных границ. В то же время на глубине около 110-120 метров происходят значительные изменения литологического состава осадков, обусловленные резким уменьшением в верхах разреза количества диатомовых и появлением плотных, тонких, ледниковых глин. Появление этой акустической границы обусловлено, скорее всего, не эрозией, а увеличением плотности осадков, что хорошо видно по кривой плотности (рис. 5, д), на которой с глубины 130-100 метров происходит возрастание плотности осадков.
Касаясь границы В6, следует отметить, что на участке бурения ее положение интерпретируется неоднозначно. В то же время на глубинах 480-560 метров на сейсмическом профиле выделяется грубослоистая пачка. Ниже 560 метров по сейсмическим данным залегает толща с еще более грубой и четкой слоистостью. Литологические данные показывают значительное изменение свойств осадков, начиная с глубины 480 м. На этой границе отмечается значительное увеличение плотности (см. рис. 5, д), уменьшение влажности (см. рис. 5 е), появляются турбидитовые и песчаные прослои, кроме того, толща насыщена растительными остатками и гравием (рис. 6). Это указывает, что граница дельтовых отложений в разрезе скважины расположена на глубине примерно 480 м. Положение акустической границы В6 на сейсмическом профиле соответствует глубине 560 м, а появление границы обусловлено изменением плотности осадков. Кроме того, на сейсмическом профиле выделяются акустические границы В7, В8, В9 на глубине 370, 270 и 210 метров. Положение этих границ также совпадает с границами изменений литологических свойств и физических параметров осадка. На горизонте 210 метров отмечается уменьшение среднего содержания диатомовых (см. рис. 5, а), увеличение доли грубой фракции (см. рис. 5, г), что вызывает увеличение плотности осадков (рис. 5, д), что, вероятно, определяет изменение характера сейсмической картины. На горизонте 270 метров происходит заметное уменьшение влажности (см. рис. 5, е), обусловленное уменьшением среднего содержания створок диатомовых (см. рис. 5, а), на этом же интервале значительно возрастает плотность осадков (см. рис. 5, д). Граница 370 метров отмечается возрастанием количества диатомовых (см. рис. 5, а), и соответственно уменьшением плотности осадков (см. рис 5, д). Следует заметить, что интервал 270-370 метров, характеризуемый слабыми флуктуациями плотности осадков, на сейсмическом профиле проявляется в виде единого неслоистого, акустически прозрачного горизонта.
Таким образом, литологические особенности и физические свойства осадков хорошо согласуются с сейсмическим разрезом Академического хребта. Причем, проведенное сопоставление показывает наилучшее согласие сейсмических границ с изменением плотностных характеристик осадков. Это вполне понятно, так как скорость упругих колебаний связана, вернее пропорциональна плотности среды.
Рассмотрим более детально границы В10. Она четко проявлена во всех Байкальских впадинах [6, 7, 8], и ее связывают с началом необайкальской фазы развития Байкальской рифтовой зоны [7]. Эта необайкальская фаза обусловлена усилением тектонической активности: активизацией прогибания котловин и поднятия гор [12]. Начало этой стадии относят к концу нижнего, началу верхнего плиоцена (3,5 млн. лет) [3]. Положение границы В10 в различных морфоструктурах Байкала сильно отличается. В Северной котловине она расположена на глубинах 1500-1700 метров [7], на Академическом хребте в точках бурения 1996 и 1998 годов она подсечена на глубине 100-120 метров, в Центральной котловине - на глубине до 300 метров. Как отмечают геофизики [3, 18], верхняя толща, расположенная выше границы В10, залегает на нижележащих осадках несогласно, срезая наклонные слои нижней. Как видно из результатов бурения, на Академическом хребте заметных признаков эрозионного несогласия не видно. В то же время, как мы отмечали выше, в начале верхнего плиоцена произошли заметные изменения условий седиментации, выразившиеся в резком уменьшении количества биогенной части осадка и появлении тонких, очень плотных глин в верхней части разреза, которые, по нашему мнению, имеют ледниковое происхождение и в отличие от нижележащих терригенных осадков практически лишены диатомовых створок (см. рис. 5, а). Согласно возрастным данным по скважине BDP-96 и BDP-98 (см. рис. 4), возраст границы В10 составляет 2,5-2,8 млн. лет, и он, очевидно, отвечает началу необайкальской фазы развития Байкала и характеризуется активизацией прогибания Байкальской котловины. Особенно четко увеличение интенсивности прогибания видно на сейсмических профилях Северной котловины, причем, как отмечают В.Г.Казьмин и др. [3], осадки этой фазы образуют типичный комплекс заполнения, сформировавшийся на поздней стадии развития Байкальского рифта.
В то же время на Академическом хребте граница В10 на глубине 100-120 метров связана с изменением характера седиментационных процессов, обусловленных в первую очередь климатическими факторами, а именно похолоданием, что выражается в резком изменении продуктивности озера (уменьшение в осадках количества остатков диатомовых водорослей) и появлении ледниковых глин [4]. Можно сделать предположение о совпадении изменений климатических условий и тектонических событий на рубеже 2,5-2,8 млн. лет. Вполне вероятно, что к этому времени горные хребты, окружающие Байкальскую впадину, достигли значительных высот, достаточных для формирования горных ледников. Очевидно, что подъем гор и связан с необайкальской фазой развития региона. Таким образом, сейсмостратиграфическую границу В10 можно рассматривать в качестве тектоно-климатической. Важно, что она проявлена практически во всех впадинах Байкала и позволяет оценить характер прогибания Байкальского рифтового озера в последние 2,5 млн. лет.
Мы привели только некоторые интерпретации полученных результатов по бурению глубоководных Байкальских скважин. Но даже эти примеры показывают, какая большая информация по палеоклиматологии Центральной Азии, по истории формирования Байкальского рифта, особенностям осадконакопления в различных структурах рифтового озера, а так же характеру и условиям формирования углеводородов в континентальных рифтовых бассейнах уже получена.
Изучение поднятого материала продолжается. Кроме того, мы планируем продолжить глубоководное бурение на Байкале, пробурить 1 км скважину до фундамента Академического хребта, а также 3-3,5 км скважину в одной из глубоких котловин озера. Большое внимание в этих работах будет обращено на микробиологические исследования осадков керна.


Работы по проекту «Байкал-бурение» проводились при поддержке РФФИ (проекты № 97-05-96414, 97-05-96528, 97-05-96386, 97-05-96383, 97-05-65340), а также при содействии Национального научного фонда США (гранты EAR-94-13957, EAR-96-14770). Исследования поддерживались Агентством по науке и технологии при правительстве Японии, Министерством науки Российской Федерации, Сибирским отделением РАН.
С чувством истинной признательности хочется поблагодарить эти организации за помощь в осуществлении проекта «Байкал-бурение» и особенно Министерство науки и технологий Российской Федерации за постоянное внимание и поддержку исследований по указанному проекту. Необходимо отметить экипаж теплохода «Байкал», осуществивший проводку бурового комплекса в байкальских льдах, коллектив буровиков ГНТП «Недра», обеспечивших выполнение всей программы буровых работ, и всех сотрудников Института геохимии, способствовавших успешному выполнению программы «Байкал-бурение».


Литература.

 

  1. Безрукова Е.В., Кулагина Н.В., Летунова П.П. и др. Направленность изменения флоры, растительности и климата Байкальского региона за последние 5 миллионов лет по данным палинологического исследования 200-метрового керна бурения осадков озера Байкал // Геология и геофизика, 1999, т. 40, № 5, с.739-749
  2. История озера Бива (Япония) / Ред. Ш.Хорие, М.И.Кузьмин. Новосибирск: Наука, 1993.
  3. Казьмин В. Г., Гольмшток А.Я., Клитгорд К. и др. Строение и развитие района Академического хребта по данным сейсмических и подводных исследований (Байкальский рифт)// Геология и геофизика, 1995, Т. 36, №. 10, С. 164-176.
  4. Карабанов Е.Б., Кузьмин М.И., Прокопенко А.А. и др. Глобальные похолодания климата в Центральной Азии в позднем кайнозое согласно осадочной записи из озера Байкал. // Докл. РАН, 2000, т. 370, № 1, с. 61-66.
  5. Коллектив исполнителей байкальского бурового проекта. Результаты бурения первой скважины на озере Байкал в районе Бугульдейской перемычки // Геология и геофизика, 1995, т. 36, №. 2, с. 3-32.
  6. Коллектив участников проекта «Байкал-бурение». Непрерывная запись климатических изменений в отложениях озера Байкал за последние 5 миллионов лет // Геология и геофизика, 1998, т. 39, № 2, с. 139-156.
  7. Коллектив участников проекта «Байкал-бурение». Позднекайнозойская палеоклиматическая запись в осадках озера Байкал (по результатам исследования 600-метрового керна глубокого бурения) // Геология и геофизика, 2000, т. 41, № 1, с. 3-32.
  8. Кузьмин М. И., Калмычков Г.В., Гелетий В.Ф. и др. Первая находка газогидратов в осадочной толще озера Байкал // Докл. РАН, 1998, т. 362, №. 4, с. 541-543.
  9. Кузьмин М.И., Грачев М.А., Вильямс Д. и др. Непрерывная летопись палеоклимата последних 4,5 миллионов лет из озера Байкал (первая информация) // Геология и геофизика, 1997, № 5.
  10. Кузьмин М.И., Калмычков Г.В., Дучков А.Д. и др. Гидраты метана в осадках озера Байкал // Геология рудных месторождений, 2000, т. 42, № 1, с. 25-37.
  11. Лисицин А.П. Процессы терригенной седиментации в морях и океанах. M., Наука, 1991, 270 с.
  12. Логачев Н.А., Антощенко-Оленев И.В., Базаров Д.Б. и др. Нагорья Прибайкалья и забайкалья. М., Наука, 1974, 359 с.
  13. Хурсевич Г.К., Карабанов Е.Б., Вильямс Д.Ф. и др. Плиоцен-плейстоценовая геохронология и биостратиграфия донных отложений озера Байкал: новые результаты глубоководного бурения // Палеоклиматы и эволюция палеогеографических обстановок в геологической истории Земли. Петрозаводск, 1998.
  14. Colman S.M., Peck J.A., Karabanov E.B. et al. Continental climate response to orbital forcing from biogenic silica record in Lake Baikal // Nature, 1995, v.378, december 21/28.
  15. Hutchinson D. R., Golmstok A.J., Zonenshain L.P. et al. Depositional and tectonic framework of the rift basins of Lake Baikal from seismic data // Geology, 1992, v.20, p. 589-592.
  16. Martinson D.G., Menke W., Stoffa A. An inverse approach signal correlation // Geophys. Res. 1982. V.87.
  17. Milunkovitch M.M. Kanon der Erdbesttrahlung une sei Eiszeiten problem. Koniglich Serbische Akademie, Belgrade, 1941. English Translation by the serael. Program for Scientific Translation by the serael. Program for Translation published for the U.S. Department of Commerse and the National Science Foundation, Washington, DC, 1969.
  18. Moor T. C., Klitgord K.D., Golmshtok A.J., Weber E. Sedimentation and subsidence patterns in the central and north basins of Lake Baikal from seismic stratigraphy// GSA Bulletin, 1997,v. 109, p. 746-766.

Williams D.F., Peck J., Karabanov E.B. et al. Lake Baikal record of continental climate response to orbital insolation during the past 5 million years // Science. 1997. v. 278, p. 1114-1117.