Модель котловины Аральского моря и ее значение для познания эволюции осадконакопления

Сиражиев А.А., Нургалиев Д.К.

Казанский госуниверситет, геологический факультет, e-mail: danis.nourgaliev@ksu.ru

Осушение Аральского моря – самая крупная экологической катастрофа современности (рис. 1). Оно началось после того, как около 50 лет назад русла рек Сырдарья и Амударья были перенаправлены, чтобы обеспечить ирригацию хлопковых полей [1,5,6,7]. Считается, что причиной резкого обмеления Арала является неразумное поведение человека. Но исследования последних лет показали [12], что, возможно, это не совсем так: причиной снижения уровня воды в Арале могут быть естественные колебания климата, а человеческая деятельность только подтолкнула процессы, связанные с обмелением моря.

Непосредственная физическая причина снижения уровня Аральского моря – нарушение водного баланса водоема, то есть превышение расхода воды над приходом. Водный баланс бессточного озера определяется двумя основными факторами: объемом воды, поступающим в течение года в котловину, и уровнем испарения. Уравнения водного баланса, используемые исследователями Аральской проблемы для описания состояния водоема и прогнозирования этого состояния, содержат осредненные (за некоторый временной интервал) величины притока и испарения [1,3,5,7]. При этом пересчет изменений объема воды в море DV в приращение уровня Dh учитывает площадь поверхности моря, также усредненную при данном диапазоне изменения уровня h (В.Н. Михайлов, 1999). Между тем котловина Аральского моря имеет специфическую форму, из-за которой незначительное увеличение объема воды приводит к существенному увеличению площади поверхности и, следовательно, к резкому увеличению уровня испарения. Увеличение испарения, непосредственно следующее за разливом, не позволяет морю сохранить набранный объем, и море снова отступает.

Рис. 1. Изменение площади Аральского моря в период с 1984 по 2001 гг. Общая площадь моря уменьшилась более чем в 2 раза, оно разделилось на две части – Большой (II) и Малый (I) Арал – и отошло от берегов местами более чем на 100-150км. Большой Арал разделен обширным полуостровом на две котловины: западную глубоководную (III) и восточную мелководную.

В целях исследования влияния формы котловины моря на его водный баланс и процессы осадконакопления были проведены расчеты площадей и объемов на основе цифровой модели рельефа дна Аральского моря и некоторой прилегающей к морю территории (рис. 2а).

Рис. 2. Цифровая модель котловины Аральского моря: а) ЦМР всей котловины Арала, б) ЦМР северной части Большого Арала; красными линиями показано положение сейсмических профилей, черными точками – места отбора донных осадков.

Исходными данными для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) являлись бумажные топографические карты масштаба 1:200000 (1984 года издания) и данные батиметрической съемки, проведенной при абсолютном уровне моря 53 метра (данные предоставлены Кривоноговым С.К., Новосибирский региональный центр геоинформационных технологий СО РАН). Пространственная и высотная увязка картографических данных была выполнена в геоинформационной системе ArcGIS 9 (ESRI, США). Она же использовалась для построения ЦМР котловины Аральского моря и расчета объемов и площадей.

На основе полученной ЦМР были вычислены объемы V_i (куб.км), ограниченные рельефом дна и базовой плоскостью с абсолютной отметкой h_i(м), и площади зеркала моря S_i (кв.км), соответствующие уровню h_i. За начальный уровень Арала была принята абсолютная отметка 20 метров. Затем вычисления производились при увеличении уровня базовой плоскости относительно первоначального с шагом Dh=5см до абсолютной отметки 53м (к сожалению, ограниченный географический экстент входных данных не позволил проследить за поведением моря при абсолютных отметках выше этого уровня).

По результатам расчетов был построен ряд зависимостей: объема воды в море от абсолютной отметки его уровня, площади поверхности от содержащегося в море объема воды и площади поверхности от абсолютной отметки уровня моря (рис. 3). Вид кривых, представленных на этом рисунке, характеризует своеобразные взаимосвязи между параметрами V, S и h. При низких отметках уровня моря (h<25м) вода может находиться только в западной глубоководной котловине Большого Арала (рис. 4).

       
Рис. 3. Зависимости: а) V_i= f (h_i), б) S_i= f (V_i), в) S_i= f (h_i).

 
Рис. 4. Гипсометрические уровни дна Аральского моря.

Западная котловина имеет очень крутые склоны, и прирост уровня моря в несколько метров приводит к незначительному увеличению объема воды и практически не сказывается на изменении площади поверхности водоема. После полного заполнения западной котловины (до уровня ~33м) объем воды продолжает увеличиваться приблизительно на одну и ту же величину на каждый метр приращения уровня моря.

Зависимости S_i = f (V_i) и S_i = f (h_i) показывают наличие уровней, при которых состояние водоема неустойчиво: при изменении уровня моря от 25 до 35 метров происходит быстрый прирост площади поверхности акватории при незначительном увеличении объема. На уровне абсолютных отметок около 50м наблюдаем еще один резкий скачок этих кривых. Очевидно, что поддержание водного баланса и закономерное увеличение абсолютной отметки уровня моря в этом диапазоне значений h возможно только в случае чрезвычайно многоводных лет, следующих друг за другом (например, в условиях общего увлажнения климата). В противном случае, после быстрого подъема уровень моря будет снова падать. Вполне вероятно, что в истории Аральского моря подобные колебания уровня воды происходили неоднократно. Это предположение объясняет известный факт о том, что ни одна из колонок донных осадков Арала, где бы ни проводилось бурение, не является полностью состоящей только из однородного или только из слоистого осадка [2,4,8]. Практически все колонки, отобранные в Арале, содержат чередование слоистых и неслоистых осадков. Многократная смена обстановок осадконакопления, обусловленная колебаниями уровня моря, формировала слоистые осадки. В случае устойчивого состояния водоема состав осадка становился однородным: в таком осадке теоретически возможно обнаружение слоистости (например, сезонного происхождения), но характеристики ее циклов будут отличны от характеристик циклов, обусловленных колебаниями уровня моря при его неустойчивом состоянии.

С целью более точного выделения уровней моря, соответствующих устойчивым и неустойчивым состояниям водоема, была построена зависимость скорости приращения площади поверхности с повышением уровня моря от его абсолютной отметки, то есть dS/dh от h. (рис. 5.) Локальные минимумы этой расчетной кривой соответствуют уровням стабильного состояния моря, а максимумы – нестабильным. Абсолютные отметки уровня моря, соответствующие стабильным состояниям, удалось сопоставить с абсолютными отметками террас Аральского моря: 40-41, 43-44 и 53 метра.

Рис. 5. Скорость приращения площади поверхности с повышением уровня моря от абсолютной отметки уровня моря. Цветными линиями показаны абсолютные отметки высот известных террас Арала.

Последняя кривая представляет наибольший интерес, поскольку до сих пор исследователи Аральского моря не могут прийти к единому мнению о том, сколько террас имеет котловина и каковы их абсолютные отметки [8,10]. Кривая показывает наличие еще одной террасы (~46 м), не описанной в литературных источниках. Изрезанность кривой dS/dh в диапазоне отметок 26-37м вряд ли может быть объяснена наличием большого числа гипсометрических ступеней в рельефе дна Арала. Скорее всего, большая часть экстремумов – ложные, обусловленные погрешностями ЦМР.

Время заложения и условия формирования западной глубоководной котловины представляют собой вопросы практически не изученные. Анализ литературных источников [4,8,13] показывает, что эти вопросы ранее не обсуждались и даже не поднимались. Между тем уникальность водоема во многом связана именно с существованием этой его части.

В 2002-2004гг. в рамках международного проекта INTAS Aral-1030 в заливе Чернышева и западной котловине Аральского моря были проведены сейсмоакустические исследования и буровые работы [9] (рис. 2.б). Совместная интерпретация данных сейсморазведки и результатов анализа проб, отобранных при бурении, позволила построить обобщенную модель осадконакопления западной котловины Арала (рис. 6). На ее основе был сделан вывод о том, что прогиб западной части глубоководной котловины образовался в результате тектонического опускания позднее, чем его восточная часть [11].

Рис. 6. Модель образования осадков в западной котловине Аральского моря. А) результат сейсмических наблюдений по профилю №1. Оранжевая линия показывает возможный профиль дна западной котловины, который существовал до образования неотектонической впадины. Б) результаты интерпретации сейсмоакустических данных по профилю №1: в центре глубоководной впадины имеется выступ (В), сложенный предположительно мезо-раннекайнозойскими породами, смятыми в складки. На выступе (В) несогласно залегают голоценовые отложения (слои С1-С5 и D1-D3). Строение котловины западнее выступа (В) иное – эта часть котловины заполнена горизонтально залегающими современными осадками (слои Е1-Е6). Слои серий С и D, по-видимому, находятся ниже, и оказались не доступны для наблюдения. Таким образом, западная часть глубоководной впадины имеет признаки недокомпенсированной неотектонической впадины. Материалы предоставлены палеомагнитной лабораторией КГУ (Нургалиев Д.К. и др., 2005 г.)

Чтобы оценить возможное влияние неотектонической впадины на водный баланс Арала был приближенно восстановлен рельеф западной котловины более раннего Арала – без прогиба западной части глубоководной котловины (рис. 7).

    
Рис. 7. Цифровые модели рельефа западной глубоководной котловины: а) современного Арала, б) более раннего Арала.

Для приближенной модели ЦМР бассейна более раннего Арала также были проведены расчеты статистики площадей и объемов и построены зависимостиV_i = (h_i), S_i = f (V_i),S_i = f (h_i) и dS/dh = f(h). Поведение первых трех кривыханалогично поведению кривых, представленных на рис 3. А кривыеdS/dh для современного и более раннего Арала почти полностью совпадают (рис. 8). Исключение составляет пик при h≈30м: то есть до образования неотектонической впадины водоем имел еще одно крайне неустойчивое состояние.

Рис. 8. Сравнение кривых ds/dh для современного и «древнего» Арала.

В настоящее время, даже в условиях продолжающего высыхания, благодаря желобообразной форме западной глубоководной впадины Аральское море еще долго сможет сохранять воду в этой своей части и, возможно, не прекратит свое существование как все еще крупный водоем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бортник В.Н., Кукса В.И., Цыцарин А.Г. Современное состояние и возможное будущее Аральского моря // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1991. № 4. С. 62-68.
2. Бродская Н.Г. Донные отложения и процессы осадкообразования в Аральском море. М.: Изд-во АН СССР, 1952, 103 с.
3. Вопросы колебания климата и водных ресурсов. Под ред. Байдала М.Х. М.: Гидрометеоиздат, вып. 44, 1972.
4. История озер Севан, Иссык-Куль, Балхаш, Зайсан и Арал (Серия: История озер СССР), (гл.ред.А.Ф.Трешников). — Л.: Наука, 1991, 304 с.
5. Кукса В.И. Южные моря (Аральское, Каспийское, Азовское и Черное) в условиях антропогенного стресса. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. 319 с.
6. Лымарев В.И. Аральское море. М.: Изд-во географической литературы, 1959, 3 с.
7. Рафиков А.А. Снижение уровня Аральского моря и изменение природных условий низовьев Амударьи. Ташкент: Изд-во «Фан», 1981.
8. Рубанов И.В, Ишниязов Д.П., Баскакова М.А., Чистяков П.А. Геология Аральского моря. Ташкент: Фан, 1987, 247 с.
9. Borisov A.S., Nourgaliev D.K., Yasonov P.G., Nigmedzyanova A.R. The Holocene lake-level history of the Aral Sea as deduced from seismoacoustic data // EGU General Assembly, 2005, Vienna/ Abstracts book. A-09-119.
10. Boomer I., Aladin N., Plotnikov I., Whatley R. The paleolimnology of the Aral Sea: a review. Quarter. Sci. Rev., 19, 1259-1278, 2000.
11. Nourgaliev D.K., Chernova I.Yu., Palagushkina O.V., Nazarova L.B., Oberhaensli H., Heller F., Hajdas I., Yasonov P.G. Reconstruction of the Aral Sea environmental variability of the last 1500 years // EGU General Assembly, 2005, Vienna/ Abstracts book. A-09-356.
12. Le Callonnec L., Person A., Renard M., Létolle R., Nebout N., Ben Khelifa L., Rubanov I., 2005. Preliminary data on chemical changes in the Aral Sea during low-level periods from the last 9000 years. Comptes Rendus Geosciences, 337, 12, 1035-1044.
13. Sheikh-Zade E.R., 1996. Results of seismic reflection profiling in the Turanian Platform. Tectonophysics, 264, 123-135.