Геологическая основа и ландшафтные комплексы заповедника «Кивач»

Балтийский щит и кристаллический фундамент территории
Планета Земля состоит из металлического ядра, мантии — густой раскаленной жидкости, и земной коры. Заповедник «Кивач» расположен на юго-восточной части Балтийского или Фенноскандинавского кристаллического щита. Щиты — это древнейшие образования земной коры, это блоки затвердевшего вещества остывающей Земли. Возраст Балтийского щита составляет около 2,5 миллиардов лет, самым же древним горным породам в его составе — около 4 млрд лет.

Все многообразие горных («каменных», коренных) порд объединяется в три основных типа.

Изверженные — это когда расплавленное вещество мантии планеты либо извергается на земную поверхность в виде лавы, где и застывает, либо распространяется по разломам или между отдельными слоями внутри земной коры в виде магмы и также застывает (интрузии гранитов, диабазов и пр. ). Изверженные (магматические) породы составляют 95% всего объема земной коры.

Осадочные породы образуются в результате: а) разрушения (под действием физических или химических факторов) горных пород поверхности земной коры, переноса и цементации образовавшихся обломков и частиц; б) осаждения в результате химических реакций и деятельности живых организмов в морской воде. Процесс а) идет непрерывно со времени образования земной коры. Процесс б) оставляет следы в виде осадочных толщ (известняк, мел, доломиты) в периоды, когда участки акватории мирового океана на сотни тысяч и миллионы лет распространяются на земную поверхность, а затем отступают. Осадочные горные породы составляют 80% поверхностной толщи, из них 95% — это морские осадки.

Метаморфические — это преобразованные осадочные горные породы. Попадая в результате ряда причин в глубину земной коры, они испытывают воздействие огромного давления, высоких температур (переплавка) и изменения химического состава (мрамор, карцит).

Балтийский кристаллический щит, образованный указанными породами в их сложном переплетении, слоистости и складчатости, имеет мощность 80 км. Сформировавшись к середине срока существования нашей планеты, он далее не испытывал влияния морской воды и осадочных пород более поздних эпох на нем не возникало.

Все сотни и тысячи миллионов лет, прошедшие со времени образования щита, непрерывно продолжался процесс разрушения поверхности горных пород, именуемый выветриванием. Подсчитано, что за время существования щита выветриванию подверглись не менее 3 км его толщи. Разные породы, в зависимости от плотности и состава, разрушались в разной степени и на разную глубину. Обломочный материал уносился течениями рек, перемещался вниз по склонам или оставался на месте. Формировалась так называемая кора выветривания.

Образовывались материки, которые в результате непрерывных подвижек то соединялись между собой в суперконтиненты, то раскалывались на отдельные части, перемещались в соответствии с течениями в мантии Земли. Нынешние очертания и расположение относительно полюсов планеты (рис. 1) материки приобрели лишь около 70 млн. лет назад, это менее 3% времени существования щита. Около 2 млн. лет назад началась эпоха оледенений, вся кора выветривания была снесена, а поверхность щита снивелирована чудовищной силой расползавшихся ледниковых покровов. В результате теперь мы можем наблюдать и потрогать невообразимо древние (2,2–1,9 млрд. лет) отпрепарированные горные породы: и интрузии диабазов, и слои осадочных и метаморфизованных доломитов и мрамора (рис. 2). Таких мест, где на дневную поверхность выходят столь древние породы и где в течение дневного перехода можно одновременно осмотреть и результаты последнего масштабного геологического события — оледенения — на Земле совсем не много. В частности, это территория нашего заповедника, расположенного в углу Балтийского щита. Такой же древний щит занимает восток Канады (рис. 1).

Оледенение
Ледниковый период это длительный промежуток времени, когда последовательно возникают, развиваются и деградируют, один за другим, обширные ледовые покровы на определенных участках суши. Ледниковые периоды неоднократно повторялись в геологическом прошлом Земли и порой они длились десятки миллионов лет. Мы являемся свидетелями последнего из них, который начался около 3 млн. лет назад и продолжается сейчас.

Для возникновения и роста ледникового покрова необходимы два основных условия. Для разрастания и сохранения крупных масс льда в определенных районах, должно произойти глобальное понижение температуры в таких масштабах, чтобы снег стал одним из основных видов осадков и чтобы, выпав зимой, он не стаивал летом. Количество осадков должно быть таким, чтобы в течение длительного времени обеспечить исходный материал для наращивания ледникового льда на крупных массивах суши.

Последнее оледенение началось 25 тыс. лет назад. Ледяной покров в северном полушарии достиг максимума 18 тыс. лет назад, когда подо льдом находилось 30% современной суши. Концентрация воды в виде льда на материках снизила уровень океана примерно на 100 м по сравнению с нынешним. Эпицентр ледникового покрова в восточном полушарии находился в Ботническом заливе Балтийского моря (рис. 3), где толщина льда достигала 3-х тысяч метров; здесь, над нами,— 2 тыс. метров. Лед простирался до линии, показанной на этой схеме. Давление такой массы льда на кристаллический фундамент было столь велико, что наш щит прогнулся и погрузился основанием в мантию так, что и теперь, по прошествии 10 тыс. лет после разрушения покрова, он поднимается как купол со скоростью до 4 мм в год. Как следствие этого процесса мы рассматриваем поперечные разломы на вытянутых скалах (принцип «разламывания батона хлеба») (рис. 4). В результате этого вспучивания котловины крупных озер Карелии наклоняются так, что с северо-запада береговая линия постоянно отступает, а юго-восточные берега размываются. Огромные валуны, выпадавшие на дно из спустившегося в океан ледника, прежние береговые линии на побережье Баренцева моря можно видеть теперь на суше на высотах в несколько десятков метров.

Деятельность ледника по преобразованию рельефа
Ледниковый покров находится в движении: накапливаясь в эпицентре и по всей площади, лед расползается в радиальных направлениях. Это приосходит благодаря двум его свойствам. Во-первых, кристаллы льда деформируются под огромным давлением, лед приобретает определенную вязкость и медленно течет (модель — выдавливание пасты из тюбика). Во-вторых, за счет значительного давления льда на поверхность коренных пород между ними образуется тонкая пленка воды (модель — движение конькобежца на коньках). Движение колоссальных масс льда, длящееся тысячелетиями, приводит к радикальной переработке доледникового рельефа. Есть три качественно различных и взаимосвязанных процесса деятельности ледника (рис. 5).

Эрозия или денудация. Это разрушение поверхности кристаллических пород геологического фундамента. Оно включает:
а) соскабливание и царапанье ложа ледника обломками камня, когда основание ледника работает как гигантский лист наждачной бумаги; в результате поверхность сглаживается, она становится похожей на мостовую, изборожденную штрихами и бороздами);
б) выпахивание, когда под действием разности давления толщ льда на кристаллическое основание от него отрываются глыбы разного размера; когда ледник движется по поверхности относительно мягких пород, процесс выпахивания может охватывать значительные пространства.
Весь «полученный» обломочный каменный материал поступает в толщу ледника или перемещается его фронтальной частью. Начинается процесс его накопления, переработки и переноса. Обломки помельче перетираются до песка и глины, покрупенее — становятся похожими на гальку, крупные окатываются и приобретают форму валунов.

Аккумуляция. Накапливаясь в теле ледника и следуя с ним по мере движения, скопления обломков затем, после стаивания ледяного покрова, откладываются на его каменное ложе. Образуются гряды — морены — составленные из неотсортированных, разнообразных по размерам частиц от самых тонких глин до валунов (рис. 7). Отдельные большие валуны (рис. 8) переносились на большие расстояния и затем вытаяли. Такие камни, оторванные от каменного ложа ледника в Карелии, находят на севере Московской области.
Отложения потоков талых вод (водно-ледниковые отложения). Проходят тысячелетия, и покровный ледник, пережив максимум накопленной мощности, начинает медленно таять, наступает время его плавно нарастающей деградации. Накопления льда больше не происходит, напротив, начинается его таяние. В туннелях его толщи, в возникающих глубоких трещинах весной и летом начинают течь потоки талых вод, берегами которых служит все тот же наполненный каменным материалом лед. Если вспомнить о толщине ледового покрова — а это 1–3 км — то несложно представить, какой мощи достигали реки талой воды. Потоки эти размывают берега, вбирают в себя большие массы содержащийся в них материала, переносят и сортируют его в зависимости от размера частиц и скорости течения: крупные камни идут на дно сразу, а чем мельче материал, тем дальше его переносит поток прежде чем отложить на дно. В результате в ледяном русле осадки накапливаются послойно, от самых крупных частиц внизу к самым мелким (песок) наверху. Когда же берега окончательно растаивают, осадки оказываются на фундаменте, приобретая в разрезе выпукло-слоистую исчерченность (рис. 9). Такая естественная насыпь называется оз. Порой они имеют протяжение в десятки километров и достигают высоты 30 метров. По обширной и протяженной озовой гряде, начинающейся от озера Сандал и теряющейся за южной границей заповедника, к нам на водопад идет шоссе.
Часто бывает, что глыбы льда разного объема оказываются погребенными под мощным слоем водно-ледниковых осадков внутри гряд. Это так называемый мертвый лед. Когда они тают, кровля гряды опадает и на месте глыб образуются котловины: чем крупнее была глыба погребенного льда, тем больший объем имеет воронка. Это явление имеет название термокарст. В заповеднике есть озеро в термокарстовой котловине, его длина — 1 км.

Примерно 12 тыс. лет назад край разрушающегося ледника покинул нашу территорию, отступив на северо-запад до нынешней границы с Финляндией. Где-то за южной границей Карелии осталась сооруженная им плотина из морены. Талые воды, не имея стока в моря, образовали приледниковое озеро. По сути, большая часть территории нынешнего заповедника была тогда дном северо-западной окраины Онежского озера. Уровень озера был на 100 м выше современного. Весной и летом реки талых вод приносили в приледниковый водоем большие массы взвешенных частиц («муть»), которые из года в год слоями оседали на дно озера. Так образовывались осадки, именуемые ленточными глинами (рис. 10). Процесс накопления глин продолжался более 4 тыс. лет, пока плотину не прорвало и озеро не отступило в свои нынешние границы. За время существования озера шторма и течения перемыли моренные гряды, частично размыли и выположили склоны песчано-галечных озов. Все низкие и плоские участки кристаллического фундамента оказались перекрыты ленточными глинами. Так что когда 7, 5 тыс. лет назад вода покинула эту часть Карелии, земная поверхность являла собой первозданный хаос.

Рельеф и ландшафтные комплексы заповедника
На схеме ландшафтов заповедника мы видим:

сельговый комплекс (отпрепарированная и выпаханная поверхность древнейших горных пород, система скальных гряд и ложбин) — на западе; имея значительные высоты, этот скальный массив оставался берегом приледникового озера;
всхолмленная моренная равнина — глинистое дно бывшего озера, нарушаемое отдельными выходами скал, грядами морены;
две размытые системы озов; в пределах восточной есть большое и несколько мелких озер в термокарстовых котловинах;
озера, разные по величине и происхождению, но так или иначе связанные с деятельностью ледника (согласно оценкам, 90% естественных озер земного шара — результат оледенений в последние 3 млн. лет);
болота, по большей части образовавшиеся путем зарастания мелководных озер.
Покровный ледник тысячи лет расползался в радиальных направлениях от центра. И все структуры, выработанные или созданные им на поверхности фундамента, располагаются в соответствии с направлением движения льда. Сельги, бараньи лбы, котловины большинства озер, долины рек, моренные гряды, системы озов в нашей части Карелии ориентированы с северо-запада на юго-восток.

Шли тысячелетия, и на освободившейся ото льда земле, вслед за изменениями климата, сменялся облик и состав живой природы края. Что мы имеем сейчас, об этом пойдет рассказ дальше. Теперь же посмотрим несколько зарисовок современного ландшафта.

Рис. 12. Растительность сельг.

Рис. 13. Растительность моренной равнины.

Рис. 14. Растительность на склоне оза.

Рис. 15. Как образуется болото. Озеро Чудесная ламба в термокарстовой котловине и вид обширного верхового болота.

Рис. 16. Самое крупное болото заповедника — Чечкино. Его длина 3,5 км при ширине до 1 км.

Рис. 17. Участие важнейших ландшафтов в природном комплексе заповедника.

Родники
На одном из маршрутов, по которому вам предстоит водить посетителей, вы подойдете к роднику. Родники не играют сколько-нибудь существенной роли в «экономике» прирды нашего края, однако по производимому впечатлению это одни из самых ярких природных объектов.

Вода атмосферных осадков насыщает собой верхние горизонты почвы и, если под почвой распологаются толщи или слои рыхлых грунтов, промачивает их и просачивается вниз. Достигнув водонепроницаемого слоя (скальный грунт, пласты глины), вода накапливается над ним, образуется водоносный горизонт. Такие горизонты могут иметь мощность нескольких метров и занимают иногда значительные площади — сотни квадратных метров (в районах с иным геологическим строением эти параметры могут увеличиваться в десять раз!). Выход воды из водоносного пласта на дневную поверхность и есть родник.

Когда водоносный пласт имеет значительный объем, как в этом случае, скорость течения родника не зависит от времени года, от обилия атмосферных осадков, и даже в засушливые годы начала века, когда все казавшиеся вечными небольшие ключи в заповеднике пересохли, расход воды в этом и других подобных источниках практически не изменился.

Так как водоносный горизонт, этот подземный резервуар, расположен на значительной глубине, изменения температуры поверхности почвы от сезона к сезону никак не сказываются на температуре воды в ключе: в нашем роднике она всегда близка к +4°.

Вода из атмосферы, проникая сквозь почву и подстилающие горизонты, превращается в раствор многих химических элементов и соединений. Этот раствор взаимодействует с минеральным веществом горизонтов, в нем идут сложные химические реакции. В результате вода, поступившая в водоносный горизонт, оказывается насыщенной ионами в гораздо большей степени, чем любые наземные объемы воды. Более того, химический состав родниковой воды также остается постоянным и не меняется столетиями.

Четвертым химическим элементом по представленности в земной коре является железо: оно составляет 5% массы земной коры и входит в состав большинства горных пород. Одно из свойств соединений железа — переход в растворимое, подвижное состояние в кислой среде. То есть, когда вода, насыщенная почвенными кислотами (или кислая вода болот — в еще большей степени), проходит сквозь проницаемые горизонты, богатые соединениями железа, она растворяет его в себе. На выходе же из родника, смешиваясь с более «чистыми» потоками, кислотность воды приближается к нейтральной, в нее поступает кислород. В результате железо начинает вступать в химические реакции и выпадать в осадок в виде окиси («ржавчины») или соединений, имеющих консистенцию геля.

На участке южного берега озера Сундозера мы исследовали один из донных родников. Содержание растворенного железа в нем до 100 крат превышало таковое в воде рек, ручьев и озер заповедника! Попадая в озеро с нейтральной реакции среды, железо быстро переходит в нерастворимое вещество и кристаллизуется на поверхности дна в минерал под названием гематит. Это железная руда. Это — монеты водяного.

А. П. Кутенков, ведущий научный сотрудник заповедника, к. б. н.
Из материалов для подготовки экскурсоводов