Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 433-445

ВВЕДЕНИЕ

Изучению донных ландшафтов крупных озер со сложным геологическим строением и разнородным рельефом в настоящее время уделяется недостаточно внимания, в отличие от морских и океанических исследований. Последние с каждым годом все более расширяются и дают обилие информации (Gustafson, 1998; Annual…, 2019; Pitman, 2018), позволяющей проводить зонирование донных природных комплексов для решения различных задач (Пенно, 2014; Harris, Baker, 2012; Seafloor…, 2020). Приоритетными задачами являются: оценка биоресурсов, создание схем рационального природопользования на акватории, учет последствий антропогенного воздействия (Митина, 2005; Seelbach, 2002). Крупные озера являются объектами питьевого водоснабжения. В связи с этим особую актуальность приобретают экологически ориентированные лимнологические исследования с использованием ландшафтного подхода. Результаты этих исследований позволяют делать обоснованный выбор методологии рационального воздействия на экологическую ситуацию (Hawkins, 2000; Learning…, 2017). Ландшафтный подход дает возможность пространственного учета ресурсов (биологических и минеральных) и площадей антропогенного воздействия.

В практике изучения ландшафтов котловины Ладожского озера известно лишь выделение крупных региональных ландшафтных единиц. В.И. Гуревич (1995) на основании изучения всей акватории Ладожского озера (масштаб 1 : 500 000) выделил десять ландшафтных физико-географических районов и дал характеристики каждого из них. Однако такое крупное ландшафтное деление не дает возможности применения ландшафтных карт для осуществления природно-хозяйственных и экологических оценок на локальных участках акватории. С 2017 г. авторами разрабатывается методика исследования донных ландшафтов озера разных уровней (вплоть до фаций) (Дудакова, 2014; Дудакова и др., 2018), опирающаяся на классические методы подводных ландшафтных исследований (Митина, 2005; Петров, 1989; Поярков, Преображенский, 1980; Harris, Baker, 2012; Learning…, 2017). В данной работе представлены результаты, полученные с применением разработанных подходов.

История развития Ладожского озера влияет на состояние донных ландшафтов (Субетто, 2009; Lebas et al., 2021, Subetto et al., 1998). Одним из элементов, формирующих специфику рельефа котловины озера в северной его части в зоне взаимодействия двух крупнейших геологических структур – Балтийского щита и Русской платформы, является Валаамско-Салминская островная гряда, сформированная валаамским силлом габбро-долеритов (Свириденко, Светов, 2008). Эта субмеридиональная гряда в плане геоморфологии еще слабо изучена (Науменко и др., 2019); не много сведений имеется и по составу биологических сообществ литоральной зоны островов, входящих в ее состав (Барбашова, Курашов, 2011; Курашов, Дудакова, 2011; Распопов, 2011), а также элементов глубоководной зоны валаамского силла (Ладога…, 2013). Более подробно здесь изучены заливы и склоновые участки о. Валаам – самого крупного в этом островном архипелаге (Зуев, Зуева, 2013; Науменко и др., 2019; Saarnisto, 2018).

В то же время, детальных исследований в акватории таких крупных островов, как Мантсинсаари и Лункулансаари, находящихся в восточном отроге валаамского силла, не проводилось. Эти два острова, а также близлежащий современный берег Ладоги также недостаточно исследованы и в палеолимнологическом отношении, хотя работы Т.В. Сапелко с соавторами дали новую информацию о ходе ладожской трансгрессии в этом районе (Сапелко и др., 2018). Имеются данные по изучению биоты на точечных станциях (Литоральная…, 2011). В 2013 г. нами было исследовано распределение мейобентоса и проведено картирование на мелководном участке в заливе Лункуланлахти (Дудакова, 2014).

Участок акватории Ладожского озера в районе о-вов Мантсинсаари и Лункулансаари является интересным объектом для исследования подводных ландшафтов. Район расположен в краевой части Салминского плутона гранитов рапакиви и сложен рифейскими пологопадающими осадочными и вулканогенно-осадочными отложениями салминской свиты, в состав которых входят песчаники, алевролиты, аргиллиты, туфопесчаники и базальты. Значительная площадь участка сложена пластовой субвулканической интрузией – Валаамским силлом габбро-долеритов (Амантов, 2014). С западной стороны о. Мантсинсаари подводный рельеф повторяет морфометрические особенности элементов силла, для которых характерен резкий перепад глубин (Свириденко, Светов, 2008). В то же время участок акватории между островами и заливы, обращенные к материковой части, находятся в пределах развития пород с пологим падением слоев, что приводит к постепенному погружению дна до небольших глубин. В северной части участка по данным магниторазведки (Зуйкова, Шилова, 2000) предполагается наличие нижнепротерозойской купольной структуры в эрозионном окне среди рифейских образований. С легко выветриваемыми нижнепротерозойскими сланцами связано понижение в рельефе.

Четвертичные отложения района на материковой части и островах представлены преимущественно озерно-ледниковыми и озерными песками; моренные супесчано-валунные отложения фиксируются только на возвышенностях вблизи выходов коренных пород (Бискэ, 1959; Гаскельберг и др., 1988; Свириденко, Светов, 2008). На возвышенностях вблизи озерного побережья отмечается серия береговых валов высотой 0.5–3.0 м, фиксирующих отступание береговой линии (Максимов, 2015; Сапелко и др., 2018). В отличие от района о-вов Мантсинсаари и Лункулансаари (Дудакова и др., 2018), вытянутые продольные гряды каменистых ледниковых наносов были отличительным признаком подводных ландшафтов материкового склона восточного берега на плоских и слабонаклонных равнинах, облик которых сформирован поздневендскими и кембрийскими комплексами (Амантов, Амантова, 2014). Таким образом, наличие сложного взаимодействия разновозрастных геологических образований в районе о-вов Мантсинсаари и Лункулансаари создает уникальность и высокую гетерогенность ландшафтных элементов.

Цель работы – выявить и картографировать подводные ландшафты мелководной части Ладожского озера в районе восточного отрога валаамского силла габбро-долеритов между о-вами Мантсинсаари и Лункулансаари для решения задач рационального природопользования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Работы проводились с 13 по 18 июня 2019 г. на участке акватории Ладожского озера между о-вами Лункулансаари и Мантсинсаари (рис. 1).

Рис. 1.

Схема размещения района исследований.

Исследования проведены с использованием известных методик (Митина, 2005; Петров, 1989 и др.). При детальном изучении ключевых участков выполнено видеопрофилирование, совмещенное с гидроакустической съемкой дна однолучевым эхолотом на нескольких полигонах площадью 300 × 1500 м² (рис. 2, табл. 1).

Для проведения видеопрофилирования использовали необитаемый подводный аппарат Limnoscout-230, созданный в Институте озероведения РАН (Дудакова и др., 2018), с установленной на нем видеокамерой Yi 4K. Эхолотирование проведено с помощью кардплоттера-эхолота Garmin-585. При построении батиметрической модели применены собственные данные с эхолота, навигационные карты Главного управления навигации и океанографии Министерства обороны СССР (1 : 200 000, 1 : 50 000), Топокарты Министерства обороны СССР (1 : 200 000), ВКФ ЛенВО (1992). Для уточнения площадного распределения зарослей тростников и прибрежных песчаных пляжей использована картография программы Google Earth. Геологическая основа прибрежной части суши составлена на основе данных цифровой геологической карты масштаба 1 : 500 000 (Гуревич, 1995), для акватории – карты дна Ладожского озера, созданные отделом региональной геоэкологии и морской геологии ВСЕ-ГЕИ (Амантов, 2014; Максимов, 2015). При уточнении геологического строения участка использованы данные аэромагнитных съемок ГП ПГЭ (Зуйкова, Шилова, 2000).

В камеральных условиях результаты видеонаблюдений оформлены графически в виде ландшафтного профиля, основу которого составляет батиметрическая кривая. Различными условными знаками на профиле отображены элементы геологического строения, фации современных донных отложений, фитоценозы, крупные представители малакофауны и некоторые другие элементы. Вертикальными линиями, разделяющими профиль на серию отрезков, отмечены границы фаций – минимальных единиц ландшафтов, которые с точки зрения биоцентрического подхода соответствуют биотопам. Далее проведено построение ландшафтной картосхемы донных комплексов исследованного участка акватории. Основной единицей горизонтального расчленения ландшафтов выступают урочища. Под урочищем понимается участок дна, связанный с мезоформами рельефа одинаковых по происхождению и составу слагающих пород, развитых в сходных гидрологических условиях, населенных жизненными формами донных организмов, образующих специфичные биоценозы (Панкеева, 2014). Выделенные ландшафтные комплексы на профиле вынесены на батиметрическую карту, где оконтурены участки с одинаковыми параметрами.

Для оценки площадного распространения прибрежных зарослей тростника использовалась как собственная фотовидеосъемка с воздуха с применением беспилотного летательного аппарата (БПЛА) Phantom-2, так и картографические данные ресурса Google Earth. При дешифрировании аэрофотоснимки с БПЛА совмещались с картами Google Earth, далее с помощью инструментов программы проводились площадные измерения.

Рис 2.

Схема размещения ключевых участков видеопрофилирования.

Для целей картирования применены средства программы Surfer. При построении моделей пространственных переменных для интерполяции данных выбран метод естественной окрестности “Natural Neighbor” (Мальцев, Мухарамова, 2014). Плотность расселения крупных двустворчатых моллюсков семейства Unionidae оценена по числу организмов в кадре, пересчитанных на площадь поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Вертикальное расчленение подводных ландшафтов тестовых полигонов. Для составления ландшафтной карты донных комплексов использованы ландшафтные профили по исследованным с помощью подводной видеосъемки полигонам (рис. 3) (представлены отрезки, соответствующие профилям “а” для П1−П3 и “б” – для П4).

Рис. 3.

Ландшафтные профили разных участков исследованной акватории: (а) П1 Вахтерниеми; (б) П2 Сирница 1; (в) П3 Сирница 2; (г) П4 Капиакко. 1 – коренная порода, 2 – крупные валуны и глыбы, 3 – валунчики, 4 – галька и щебенка, 5 – песок, 6 – знаки ряби (рифели), 7 – ямки, 8 – отмершие растительные остатки, 9 – нитчатые водоросли, 10 – водоросли фитопсаммона, 11 – тростник, 12 – рдесты, 13 – элодея, 14 – крупные моллюски, 15 – рыба.

Аквальные ландшафты между о-вами Мантсинсаари и Лункулансаари представлены абразионно-аккумулятивными подводными склонами, с небольшой крутизной (не более 3°), пологими (2°–3°) – в южной, северной части изучаемого участка и у гряды мелких островов в центральной части и плоскими и слабо пологими (0.1°–2°) – в западной части. Абразионные участки относятся к верхней части профиля и сложены валунным материалом, гравием, галькой, щебнем. В южной части о. Мантсинсаари выявлены гряды окатанного обломочного материала, спускающиеся до глубин 12.5 м и простирающиеся в СЗ–ЮВ направлении. Вероятнее всего на дне представлена ледниковая морена, которая обильно встречается на наземной поверхности островов и материковой части (Бискэ, 1959; Ладожское…, 1978). С глубин 4 м отмечаются пески, приуроченные к наиболее пологим и плоским элементам рельефа. С песчаными отложениями связаны несколько форм микрорельефа, отражающие особенности придонной гидродинамики разных частей изучаемого участка акватории. На трех полигонах дно покрыто рифелями – симметричными или слабо асимметричными волнообразными неровностями, образованными в результате воздействия волн или течений (рис. 4а–г). Согласно “Атласу подводных ландшафтов …” (Арзамасцев, Преображенский, 1990), на исследованных полигонах по характеру развития рифелей (отсутствие раздвоения гребней, их обрывание и переход из одного гребня в другой) данные формы микрорельефа следует отнести к ряби течения. Наличие придонных течений можно объяснить сложным морфометрическим строением исследуемого района. Рифели в основном были вытянуты вдоль ЮЗ–СВ направления, что может свидетельствовать о преобладании ЮВ–СЗ течений. Преобладание СЗ течения по результатам измерений с буйковой станции за несколько лет указывается также в (Ладожское…, 2015) для близлежащей к о-вам Мантсинсаари и Лункулансаари части акватории.

Рис. 4.

Характер микрорельефа поверхности песчаного и смешанного грунта.

На участке (П2 Сирница1), в условиях вытянутой в СЗ–ЮВ направлении равнины, вероятно, происходило перераспределение водных потоков вдоль гряды мелких островов, направление которой определяется формой силла. В этих условиях образовался необычный микрорельеф пересекающихся песчаных гребней, при котором поперек основных шли более частые и мелкие гребни (рис. 4в). На последнем полигоне рифели отсутствовали, однако на поверхности дна отмечены ямки не совсем ясной природы (рис. 4д–з). Предположительно, эти ямки являются элементами биоосложненной поверхности: в области их развития отмечена высокая плотность крупных двустворчатых моллюсков и, местами, гастропод, а также многочисленные следы перемещения моллюсков (рис. 4ж–з). Крупные ямки, возможно, частично сформированы рыбой, питающейся бентосными беспозвоночными. Все встреченные у дна во время подводных видеосъемок представители ихтиофауны отмечены в диапазоне глубин от 4 до 8 м в зоне распространения песков (см. рис. 3). На некоторых участках характер поверхности дна осложняется перекрыванием песчаного грунта крупнообломочным материалом – мелкими валунами, галькой и щебнем (рис. 4и–к). На этих участках часто накапливаются крупные растительные остатки (см. рис. 4к).

Развитию макрофитов на мелководье, вероятно, препятствует высокая гидродинамическая активность.

Горизонтальное расчленение. Выделение урочищ при ландшафтном расчленении базировалось на основании четырех основных компонентов: геологического строения и обусловленного им рельефа, типа поверхностных донных осадков, гидродинамического режима и распределения ландшафтообразующих видов гидробионтов (рис. 5).

Рис. 5.

Компоненты ландшафтной модели (батимет-рия (а), геология (б), донные осадки (в)) и картосхема ландшафтов изученного участка акватории (г). Коренные породы: 1 – сланцево-карбонатно-толеитобазальтовые образования в обрамлении куполов, 2 – граниты ядерных частей куполов, 3 – комплекс гранитов рапакиви, 4 – конгломераты, песчаники, алевролиты, аргиллиты, 5 – туфопесчаник-базальтовые образования, 6 – габбро-долеритовый Валаамский комплекс. 7 – разломы; 8 – контур врезки. Рыхлые четвертичные отложения: 9 – крупные обломки на массивах коренных пород, сменяющиеся с увеличением глубины смешанным валунным и мелкообломочным материалом; 10 – галька, щебень и отдельные редкие валуны на песках; 11 – пески, алевропески; 12 – суша. I – южное урочище; II – центральное урочище; III – северо-западное урочище о. Лункулансаари.

В пределах обследованного участка выделено три урочища (см. рис. 5г): I. Плоская равнина с пологими бортами в южной части; II. Система хребтов с поднятиями, выходящими на поверхность воды в виде мелких островов в центральной части; III. Су́женная ложбина между двумя крупными островами в северно-западной части о. Лункулансаари.

В южном урочище (I) более 75% площади занимает песчаное дно, испытывающее, судя по характеру поверхности, покрытой гребнями ряби течения, значительное гидродинамическое воздействие. Развитие крупной ландшафтообразующей биоты здесь относительно невысокое. Заросли макрофитов, в частности воздушно-водных видов, таких как тростники, – очень скудные и простираются вдоль береговой линии о. Мантсинсаари узкими редкими полосами и только в зонах заливов; развитие фитоценозов тростников вдоль береговой линии восточной части о. Лункулансаари более выраженное. При видеопрофилировании погруженных и полупогруженных форм макрофитов не выявлено. В восточной части урочища на довольно больших площадях на глубинах 8 м было отмечено развитие водорослей фитопсамона. Однако невыясненным остается физиологическое состояние этих водорослей, были ли это живые организмы или отмершие клетки, скопившиеся в зонах увеличения глубин. С твердым обломочным материалом, слагающим борта равнины, образующей урочище, связано развитие фито- и зооперифитона. На валунах многочисленны небольшие колонии губок (рис. 6). Встречаемость унионид и крупных гастропод, как на каменистом субстрате, так и на песках, редка, что свидетельствует об их низкой роли в ландшафте. Здесь на глубинах более 1 м не отмечено массового присутствия характерных для озера эпибентосных ракообразных – амфипод.

Рис. 6.

Колонии губок на валунах.

Грядово-островной характер поднятий центрального урочища (II) обусловлен геологическим строением (см. рис. 5б). Эта часть является зоной внедрения валаамского силла, породы которого (габбро-долериты) устойчивы к разрушению (рис. 7а, 7б). Уточнение геологической карты исследуемого участка акватории показало, что особенности рельефа дна здесь зависят от вещественного состава дочетвертичных комплексов: осадочных и вулканогенных пород раннерифейского возраста (граниты рапакиви салминского плутона, габбро-долериты пластовой валаамской интрузии) и раннепротерозойских кристаллических образований (см. рис. 7). Контрастный рельеф северной части дна Ладоги также связывают с активным проявлением разломной тектоники (Амантов, 2014; Свириденко, 2019; Свириденко, Светов, 2008). Залегание рифейских образований полого наклонное, близкое к горизонтальному (Амантов, 2014). Колебания рельефа в пределах развития рифея связаны с литологическим составом пород. Раннепротерозойские породы в пределах акватории по составу аналогичны образованиям питкярантской группы куполов. Ядра куполов сложены гранитами, окаймляются вулканогенно-осадочными образованиями людиковия, смяты в складки с субмеридиональной ориентировкой шарниров, крутым падением слоев. Породы людиковия, развитые по краям куполов, в магнитном поле выделяются интенсивными положительными аномалиями, обусловленными наличием в разрезе высокомагнитных пород: графитистых и пирротин-содержащих метаалевролитов, отдельных горизонтов скарнов и кварцитов. Следует отметить, что эти магнитные аномалии часто приурочены к понижениям в рельефе на суше. В пределах акватории цепочки магнитных аномалий прослеживаются в меридиональном направлении на юг в район исследований (Зуйкова, Шилова, 2000), в целом, совпадая с понижениями рельефа дна озера. С ними, предположительно, связывается наличие сланцев людиковия в эрозионных окнах среди рифейских пород. В северной части участка исследований в углублениях рельефа выявлены магнитные аномалии, ориентированные несогласно к слоистости рифейских пород, интерпретируемые как нижнепротерозойские и людиковские сланцы.

Рис. 7.

(а) Геологическая схема северо-восточной части Ладожского озера. Архей-протерозой. Гранитоиды куполов: 1 – плагиограниты, 2 – гранодиориты, 3 – граниты; в акватории 4 – гранитоиды нерасчлененные (по геофизическим данным). Нижний протерозой. Вулканогенно-осадочные образования обрамления куполов: 5 – базальты, андезибазальты, их туфы, доломиты, сланцы графитовые, 6 – сланцы нерасчлененные (по геофизическим данным); Рифей: 7 – комплекс гранитов-рапакиви Салминского плутона; 8 – конгломераты, песчаники, алевролиты, аргиллиты; 8-1 – покровы базальтов; 9 − габбро-долериты Валаамского комплекса; 10 – контур участка исследований. (б) Карта магнитных аномалий северо-восточной части Ладожского озера (совмещенная: тоновая и теневого рельефа магнитного п-оля).

Преобладающим типом отложений (до 80% площади) в центральном урочище являются обломки разной степени крупности (рис. 8в–г), лежащие на подстилающей коренной породе. Последняя местами также открывается на дне (рис. 8б). Среди макрофитов, помимо тростника, образующего заросли на мелководьях в островных заливах, на небольших глубинах (до 2 м) встречаются виды, относящиеся к погруженным и полупогруженным формам: элодея, рдесты. В составе зооперифитона отмечены колонии губок, однако их количество меньше по сравнению с южным урочищем. Каменистые поверхности во многих случаях покрыты сестоном и бактериально-водорослевыми образованиями (Harrison, Hildrew, 2001). Присутствие таких сообществ эпилитона, по-видимому, препятствовало развитию колоний губок. На мелководье мелких островов до глубин менее 1 м среди каменистых обломков местами встречаются массовые скопления литоральных амфипод Gmelinoides fasciatus. Из крупных бентосных видов среди гальки и щебенки отмечены двустворки униониды. Большая их плотность характерна для каменисто-песчаного субстрата глубже 4 м. Наиболее высоким потенциалом биоресурсов обладает зона к северу от гряды мелких островов: максимальная плотность унионид наблюдается в зонах скопления заиленных песков, заполняющих впадины между островами на участках с минимальными значениями гидродинамической активности.

Рис. 8.

Надводные и подводные обнажения габбро-долеритов валаамского силла и смешанные обломки на поверхности дна, составленные коренной породой и мореной.

Наименее изученным осталось северо-западное урочище о. Лункулансаари (III). Здесь отмечены высокая степень гидродинамического воздействия на дно, высокая мутность и плотность сестона по сравнению с другими частями и отсутствие двустворчатых моллюсков. Однако анализ аэро- и космических снимков указывает на большую роль литоральных макрофитов в этом урочище: гораздо сильнее развиты фитоценозы тростника, что создает основу для более высоких показателей развития бентоса в прибрежной зоне (Литоральная…, 2011). Исследования в этом урочище требуют продолжения для уточнения характеристик биоты и распределения донных отложений.

Таким образом, сложное взаимодействие коренных пород, выявленное присутствие и распределение четвертичных гляциальных отложений, разнообразие донных осадков и типов их поверхности, гидрологический режим в разных частях акватории, различия в сообществах гидробионтов привели к высокой мозаичности дна и разнообразию фаций (рис. 9).

Рис. 9.

Распределение фаций на исследованном участке акватории. Фации: 1 – подводных выходов коренных пород и крупных глыб; 2 – прибрежных коренных пород, глыб и крупновалунных отложений с нитчатыми водорослями на глубинах до 0.5 м; 3 – тростниковых зарослей на песчано-галечно-валунном грунте на глубинах до 1.5 м; 4 – рдестов на песчано-галечно-валунном грунте на глубинах 1.5–2 м*; 5 – прибрежных и мелководных крупновалунных отложений с бактериально-водорослевыми обрастаниями и присутствием элодеи канадской на глубинах до 1.5 м*; 6 – чистых прибрежных и мелководных крупновалунных отложений с колониями пресноводных губок до 2.5 м глубины; 7 – галечно-песчаных отложений с редкими валунами на глубинах до 6 м; 8 – чистых песков со знаками ряби с редкими щебенкой и валунами на глубинах более 4 м; 9 – песков с рифелями с редкими щебенкой и валунами и с водорослями фитопсаммона на поверхности на глубинах более 8 м; 10 – песков с рифелями с редкими щебенкой и валунами и с растительным опадом на поверхности, поступающем из верхних горизонтов, на глубинах более 6 м; 11 – песков с ямками на поверхности, заселенными крупными моллюсками на глубинах 3–7 м; 12 – прибрежных песчаных пляжей с серией подводных валов; 13 – моренных валунно-галечных отложений, простирающихся до глубин 12.5 м. * Фации 4 и 5 показаны для участков, исследованных при подводном видеопрофилировании; возможна их большая представленность в прибрежной мелководной зоне исследованного участка акватории.

Площади, занимаемые отдельными фациями, значительно разнятся. Если растительные пояса в прибрежной зоне представлены скудно (фации нитчатки, тростников, рдестов, элодеи – менее 1% от общей площади дна), то песчаные фации более глубоких участков имеют наибольшее площадное распределение (например, фация чистых песков с рифелями занимает 65% площади). Промежуточное положение занимает фация галечно-песчаных отложений с отдельными валунами.

ВЫВОДЫ

1. Для ландшафтов, сформированных на рифейских поднятиях между о-вами Лункулансаари и Мантсинсаари, характерно значительное структурное разнообразие, что в данной работе было показано для валаамского силла габбро-долеритов и интрузий более раннего возраста, различающихся по устойчивости к водной абразии.

2. На исследованном участке выделены тринадцать фаций, различающихся типом донных отложений, микрорельефом дна и составом биоты.

3. Фации сгруппированы в три типа урочищ, различающихся геологическим, геоморфологическим строением и – частично – составом биоты.

4. Обнаружены существенные различия в размерах площадей распространения выделенных фаций.

5. Пространственное распределение и плотность ландшафтообразующих видов водной флоры и фауны неодинаковы в разных урочищах, что важно учитывать при учете биологических ресурсов и оценке кормовых запасов.

Полученные результаты позволят на новом уровне проводить изучение пространственных характеристик популяций отдельных крупных ландшафтообразующих видов бентоса и перифитона в Ладожском озере.