Закономерности формирования криогенного строения четвертичных отложений Северной Якутии

Актуальность темы

и постановка проблемы. Изучение криогенного строения четвертичных отложений является важнейшим элементом научных и практических инженерно-геокриологических исследований в районах распространения высокольдистых многолетнемерзлых пород (ММП). Это связано с тем, что именно особенности криогенного строения определяют величину содержания льда в мерзлой породе и, соответственно, все связанные с ней инженерно-геологические свойства — объемный вес, осадку при оттаивании, прочностные свойства и др. Без правильной оценки характера залегания подземных льдов и общей льдистости мерзлой толщи невозможно прогнозировать развитие таких опасных деструктивных процессов как термокарст, термоэрозия, термоденудация.

Исследование закономерностей формирования подземных льдов с давних пор привлекало внимание ученых. Еще в начале XIX века А. Е. Фигурин (1823), путешествуя по р. Яне, описал ледяные жилы и впервые обратил внимание на связь между морозобойным растрескиванием и их формированием. Тем не менее, происхождение высокольдистых пылеватых отложений мощностью до 5060 м, включающих мощные повторно-жильные льды (ПЖЛ) и известных в современной литературе под названием «ледовый комплекс», долгое время оставалось загадкой для ученых. Доминировали представления о том, что эти льды являются погребенными и своим происхождением обязаны древнему покровному оледенению (Толль, 1897- Воллосович, 1930; Григорьев, 1932). Начало изучению процесса сингенетического промерзания отложений положили исследования А. И. Попова на Таймыре в 1949 г., перевернувшие представления о генезисе наиболее распространенного типа залежеобразующих льдов. Значительный вклад в изучение синкриогенных отложений ледового комплекса внесла работавшая на севере Якутии в 1951;53 гг. экспедиция Института мерзлотоведения АН СССР, давшая мощный импульс развитию мерзлотоведения.

Условиям формирования и особенностям криогенного строения сингенетически промерзших четвертичных отложений на севере Якутии посвящено огромное количество публикаций (Архангелов и др., 1983; Втюрин, 1966, 1975; Гра-вис, 1966, 1969, 1981; Заиканов, 1991; Зимов, 1981; Каплина, 1978, 1981, 1987; Катасонов, 1960, 1972, 1973; Кондратьева и др., 1975; Конищев, 1975, 1983; Куницкий, 1989; Попов, 1953, 1975, 1985; Розенбаум, 1973, 1981; Романовский, 1958, 1961, 1977, 1993; Соломатин, 1974; Томирдиаро, 1975, 1987; Труш, Нистратова, 1974; и др.). Вместе с тем, далеко не все вопросы, связанные с особенностями криогенного строения четвертичных отложений Северной Якутии можно считать решенными.

Одна из сложнейших проблем при изучении синкриогенных толщ — выявление закономерностей формирования криогенных текстур, их связи с условиями осадконакопления и промерзания. На решение этой проблемы нацелен, в частности, широко известный метод мерзлотно-фациального анализа, разработанный Е. М. Катасоновом (1973) применительно к синкриогенным отложениям. Метод основан на выявлении «руководящих» криотекстур, характерных для определенных фациальных условий. Е. М. Катасонов рассматривает криогенное строение как надежный генетический признак, по которому можно судить об условиях накопления и промерзания осадка.

Многие исследователи обращали внимание на существование двух типов криогенного строения сингенетически промерзших тонкодисперсных отложений — сильнольдистый и малольдистый, — однако объяснения их происхождения у разных авторов существенно различаются. Чаще всего тип криогенного строения ставится в зависимость от температурных условий в период формирования синкриогенных отложений (Втюрина, 1974; Каплина, 1987), либо от влажности грунтов сезонно-талого слоя (СТС) (Катасонов, 1972).

Новый взгляд на возможные причины и условия формирования сильнольдистых отложений был предложен Ю. Л. Шуром (1988), который провел детальные исследования криогенного строения верхнего горизонта толщи ММП в различных регионах криолитозоны. Идеи Ю. Л. Шура о квазисингенезе (процессе формирования в верхней части толщи ММП высокольдистого промежуточного слоя, происходящим в результате последовательного уменьшения мощности СТС после завершения осадконакопления) послужили для автора своего рода отправной точкой при написании диссертационной работы.

Изучение причин формирования, характера залегания и особенностей строения высокольдистых горизонтов (которые мы относим к синкриогенным отложениям 2-го подтипа), залегающих на различных глубинах в разрезах синкриогенных отложений, представляет собой важную (и при этом практически неисследованную) задачу, так как наличие таких горизонтов существенным образом влияет на строение и свойства всей толщи ММП.

Цели и задачи исследования. Цель работы — изучить основные закономерности формирования криогенного строения четвертичных отложений различного генезиса на территории Северной Якутии. Для достижения этой цели решались следующие задачи: 1) выделить и охарактеризовать основные подтипы сингенетического типа криолитогенеза- 2) установить важнейшие факторы, определяющие криогенное строение и льдистость отложений, относящихся к различным подтипам сингенеза- 3) изучить особенности криогенного строения четвертичных отложений различного генезиса- 4) составить морфогенетическую классификацию криогенных текстур ММП- 5) изучить распределение синкриогенных отложений второго подтипа в разрезах четвертичных отложений, а также закономерности изменения влажности по разрезу- 6) рассмотреть методические аспекты изучения криогенного строения и свойств синкриогенных отложений второго подтипа, охарактеризовать инженерно-геологическое значение этих отложений- 7) изучить криогенное строение техногенных отложений россыпных месторождений, составить их классификацию.

Исходные материалы и методика исследований. Работа базируется на материалах полевых исследований автора, проводившихся начиная с 1983 г. в различных районах Северной Якутии, на северо-востоке Европейской части России и на севере Западной Сибири. При написании работы проводилось изучение и обобщение литературных и фондовых данных о криогенном строении и льдисто-сти четвертичных отложений на севере Якутии и в других районах криолитозоны. Список литературных источников приведен в конце работы.

В процессе полевых работ изучалось криогенное строение плейстоценовых и голоценовых отложений различного генезиса: озерно-аллювиальных, де-лювиально-солифлюкционных, аласных и др. Полевые работы включали описание и опробование обнажений, керна скважин, шурфов и подземных горных выработок, маршрутные работы, наблюдения на стационарных площадках. Наиболее детальные исследования осуществлялись на территории Куларского золотоносного района (Яно-Омолойское междуречье). Работы проводились также в долинах рек Яны, Омолоя и Индигирки, в предгорьях Селенняхского хребта и в Верхне-Селенняхской впадине.

Личный вклад автора заключается в проведении полевых исследований и анализе их результатов, полученных в различных районах Северной Якутии (1983;1991 гг.), в устье р. Печора (2001 г.) и на западном побережье п-ва Ямал (2002;2003 гг.). Основные положения диссертации были разработаны автором в рамках тем «Разработка требований и методических рекомендаций по инженерно-геологическому изучению территорий при разведке нефти и газа в криолитозоне» — «Разработать и внедрить методы прогноза развития криогенных физико-геологических процессов на основе изучения вещественного состава и структурно-текстурных особенностей мерзлых грунтов» — «Разработать методику и исследовать инженерно-геокриологические свойства рыхлых отложений погребенных полигенетических россыпей олова Северо-Янского района ЯАССР (на примере россыпи Тирехтях)» — «Изучить закономерности развития термоденудационных процессов при разработке россыпных месторождений и разработать комплекс эффективных мероприятий по их регулированию для целей охраны окружающей среды» и др., отчеты по которым хранятся в фондах ВСЕГИНГЕО (пос.Зеленый Ногинского района Московской области).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выделены и охарактеризованы подтипы сингенетического типа крио-литогенеза, проведен их сравнительный анализ.

2. Установлены особенности сингенетического промерзания и важнейшие факторы, определяющие криогенное строение и льдистость отложений, относящихся к различным подтипам сингенезавыявлены механизмы формирования синкриогенных отложений второго подтипа.

3. Изучены особенности криогенного строения ММП Северной Якутии, при этом получены и проанализированы новые данные о криогенном строении и льдистости четвертичных отложений различного генезиса (отложений ледового комплекса, склоновых отложений, современного аллювия, аласных отложений).

4. Составлена морфогенетическая классификация основных криогенных текстур ММП Северной Якутии, включающая данные о составе и генезисе отложений, типе (подтипе) криолитогенеза, преобладающих значениях суммарной влажности, параметрах криогенной текстуры.

5. Изучено распределение синкриогенных отложений второго подтипа в разрезах четвертичных отложений различного генезиса, а также связанное с ним распределение влажности по разрезу.

6. Разработана методика определения суммарной влажности синкриогенных отложений второго подтипа, охарактеризовано инженерно-геологическое значение этих отложений.

7. Изучено криогенное строение техногенных отложений россыпных месторождений, составлена их классификация.

Научное и практическое значение работы. Научное значение работы определяется выявлением закономерностей формирования криогенного строения сингенетически промерзших отложений. Характеристика криогенного строения и льдистости четвертичных отложений различного генезиса на территории Северной Якутии имеет как научное, так и практическое значение, связанное с тем, что свойства этих отложений необходимо учитывать при хозяйственном освоении территорий. Полученные результаты могут быть использованы при проведении инженерно-геокриологических и геоэкологических исследований на севере Якутии в целях детального расчленения разрезов синкриогенных отложенийдля оценки льдистостипри изучении деструктивных криогенных процессов.

Научное значение работы связано также с определением условий формирования, характера залегания и особенностей строения синкриогенных отложений 2-го подтипа (СКО-2). Такие данные имеют важное палеогеографическое значение, так как наличие в разрезе горизонтов СКО-2 свидетельствует о замедлении или прекращении осадконакопления, либо о существенном изменении фа-циальных условий в период их формирования.

Практическое значение исследования СКО-2 обусловлено тем влиянием, которое оказывает наличие высокольдистых горизонтов (как современного промежуточного слоя, так и погребенных горизонтов) на инженерно-геологические характеристики всего разреза четвертичных отложений. Эти горизонты могут самым существенным образом повлиять на характер развития таких деструктивных процессов, как термокарст, термоэрозия, термоабразия, термоденудация, а также на устойчивость мерзлой толщи к техногенным воздействиям.

Основные защищаемые положения:

1. В зависимости от условий формирования отложений и особенностей их криогенного строения в составе сингенетического типа криолитогенеза выделено и охарактеризовано 3 подтипа: первый подтип (собственно сингенез), второй подтип (условно называемый «квазисингенез») и третий подтип (парасингенез).

2. Показано, что характер криогенного строения собственно синкриоген-ных отложений определяется тремя основными процессами: льдообразованием в СТСльдообразованием в верхних горизонтах ММПформированием криотек-стурных ритмов. На эти процессы влияют многочисленные геологические, тектонические, геоморфологические, климатические, геокриологические факторы, воздействие которых должно рассматриваться с учетом соотношения скорости осад-конакопления и динамики мощности СТС.

3. Установлено, что существуют различные механизмы формирования высокольдистых синкриогенных отложений 2-го подтипа (СКО-2). Основной из них — квазисингенез (термин Ю.Л. Шура), представляющий собой процесс формирования в верхней части толщи ММП высокольдистого промежуточного слоя. Этот процесс начинается после завершения осадконакопления и связан с постепенным сокращением мощности СТС. Выявлены другие механизмы образования СКО-2, не связанные с прекращением седиментацииих действие происходит при существенном изменении фациальных условий.

4. На основе результатов изучения криогенного строении и льдистости отложений составлена морфогенетическая классификация основных криогенных текстур ММП Северной Якутии, включающая данные о составе и генезисе отложений, типе (подтипе) криолитогенеза, преобладающих значениях суммарной влажности, параметрах криогенной текстуры. Показано, что в криогенном строении четвертичных отложений Северной Якутии доминирующую роль играют криотекстуры, характерные для СКО-1, реже — для СКО-2 и парасинкриогенных отложений.

5. Установлено, что в большинстве изученных разрезов преобладают СКО-1 с микрошлировой частослоистой криотекстурой в сочетании со сравнительно редкими и маломощными поясками. Линзы и горизонты СКО-2, мощность которых колеблется от 0,3 до 3 м, встречаются на разных глубинах в преобладающей части разрезов отложений различного генезиса и возраста. Суммарная мощность СКО-2 составляет 20−30% мощности всей синкриогенной толщи. Наличие горизонтов СКО-2 увеличивает среднее по разрезу значение суммарной влажности на 15−20% и более (без учета залежеобразующих льдов).

6. Показано, что инженерно-геологическое изучение и опробование СКО-2 нельзя проводить традиционными методами. Разработана методика, позволяющая достаточно точно определять суммарную влажность СКО-2. Охарактеризовано инженерно-геокриологическое значение СКО-2, наличие которых в разрезе влияет на развитие деструктивных криогенных процессов.

7. Изучено криогенное строение техногенных отложений россыпных месторождений Северной Якутии. Показано, что наиболее широко распространены отложения вскрышных отвалов и отстойников. Разработана классификация техногенных отложений, отражающая их генезис, состав, криогенное строение и суммарную влажность. Показано, что отложения отстойников, в разрезе которых выделяются все 3 подтипа синкриогенных отложений, могут рассматриваться как модель для изучения различных механизмов сингенетического промерзания.

Апробация работы. Результаты исследований автора докладывались на конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО в 1987 и 1989 гг.- на научном семинаре секции «Криолитогенеза» Междуведомственного Литологического комитета АН СССР (Ухта, 1988) — на научно-практической конференции «Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлоты» (Магадан, 1989) — на Международных конференциях «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты» и «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» (Пущино, 2002, 2003) — на Восьмой международной конференции по мерзлотоведению (Цюрих, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей. Основными из них являются: 1) Генезис и строение аласов Северной Якутии — М.: ВСЕГИНГЕО, 1987; 2) Особенности инженерно-геокриологических исследований в районах развития высокольдистых синкриогенных мерзлых пород (в соавторстве с В.В.Максимовым) — М.: ВСЕГИНГЕО, 1990; 3) Роль квазисингенеза в формировании криогенного строения четвертичных отложений Северной Якутии — М.: Наука, 1991; 4) Криогенное строение и свойства техногенных грунтов на россыпных месторождениях Северной Якутии (в соавторстве с И. А. Самылиным и В.В.Максимовым) — М.: Наука, 1991; 5) Береговые процессы в долинах крупных рек Северной Якутии (в соавторстве с В.Г.Заикановым) — М.: ВСЕГИНГЕО, 1992; 6) Cryogenic structure of mountain slope deposits, northeast Russia // Proceedings of the Eight International Conference on Permafrost, 21−25 July 2003, Zurich, Switzerland. — Lisse: A.A. Balkema Publishers, 2003.

Некоторые результаты исследований автора вошли в «Методические рекомендации по учету состава и структурно-текстурного строения мерзлых пород при прогнозе развития криогенных физико-геологических процессов» (М.: ВСЕГИНГЕО, 1990).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 178 страниц текста, включающих 10 таблиц, 24 рисунка и список литературы из 134 наименований.

Выводы.

1. Техногенные отложения россыпных месторождений Северной Якутии отличаются различным составом, генезисом, криогенным строением и льдистостью. Наиболее широко распространены отложения вскрышных отвалов и отложения отстойниковэти тонкодисперсные отложения обладают наибольшей льдистостью по сравнению с другими видами техногенных отложений.

2. Отложения вскрышных отвалов представляют собой ледогрунтовую брекчию с суммарной влажностью 90−120%. Процесс стабилизации и зарастания отвалов сопровождается постепенным сокращением мощности СТС, приводящим к формированию промежуточного слоя. Наблюдение за этим процессом и сопоставление разрезов разновозрастных отвалов позволит лучше понять механизм формирования СКО-2.

3. Субаквальные и субаэральные отложения отстойников промерзают в условиях высоких темпов седиментации и характеризуются неравномерным распределением льдистости. В большинстве разрезов на глубине 2−3 м были встречены пластовые льды мощностью до 0,5−0,7 м. Максимальные значения суммарной влажности, достигающие 80−100%, отмечены в слое мощностью до 0,8 м, залегающем непосредственно под пластовыми льдамиэтот слой характеризуется атакситовой и сетчатой криотекстурами и рассматривается нами как горизонт СКО-2. Отложения отстойников, в разрезе которых можно выделить все 3 подтипа синкриогенных отложений, могут рассматриваться как своего рода модель сингенетического промерзания. Изучение криогенного строения и условий формирования этих отложений позволит ответить на некоторые вопросы, связанные с различными механизмами сингенеза.

Заключение

.

Анализ результатов изучения криогенного строения и льдистости четвертичных отложений различного генезиса, проводившегося на территории Северной Якутии и в других районах криолитозоны, позволил сделать следующие выводы:

1. В зависимости от условий формирования отложений и особенностей их криогенного строения в составе сингенетического типа криолитогенеза выделено и охарактеризовано 3 подтипа: первый подтип (собственно сингенез), второй подтип (условно называемый «квазисингенез») и третий подтип (парасингенез).

2. Первый подтип сингенеза (собственно сингенез) представляет собой достаточно хорошо изученный процесс перехода осадка в многолетнемерзлое состояние, происходящий одновременно с седиментацией, при котором фациальные условия в период накопления и в период промерзания осадка совпадают. Характер криогенного строения собственно синкриогенных отложений определяется тремя основными процессами: льдообразованием в СТСльдообразованием в верхних горизонтах ММПформированием криотекстурных ритмов.

На эти процессы влияют многочисленные геологические, тектонические, геоморфологические, климатические, геокриологические факторы. Температура ММП, мощность, влажность и состав грунтов СТС воздействуют на криогенное строение и льдистость синкриогенных пород прежде всего в той степени, в которой они определяют продолжительность миграции влаги, интенсивность льдообразования и мощность части СТС, промерзающей снизу. Воздействие этих факторов должно рассматриваться с учетом соотношения скорости осадконакопления и динамики мощности СТС.

3. Второй подтип сингенеза имеет с первым подтипом много общего, но есть и существенные различия, связанные с условиями промерзания отложений и их криогенным строением. Синкриогенные отложения 2-го подтипа (СКО-2) характеризуются: 1) несовпадением фациальных условий в период накопления и в период промерзания осадка- 2) промерзанием отложений после завершения (или замедления) седиментации- 3) исключительно высокой льдистостью- 4) отсутствием четкой ритмичности в строении отложений- 5) сравнительно небольшой мощностью.

Установлено, что существуют различные механизмы формирования высокольдистых СКО-2. Основной из них — квазисингенез (термин Ю.Л. Шура), представляющий собой процесс формирования в верхней части толщи ММП высокольдистого промежуточного слоя. Этот процесс начинается после завершения осадконакопления и связан с постепенным сокращением мощности СТС. Выявлены другие механизмы образования СКО-2, не связанные с прекращением седиментацииих действие происходит при существенном изменении фациальных условий. Импульсами к формированию СКО-2 могут послужить переход от субак-вальных условий к субаэральным, переход от одного уровня поймы к другому, переход поверхности поймы в режим надпойменной террасы, восстановление растительности после завершения эрозионных процессов, пожаров и т. д.

4. Третий подтип сингенеза, или парасингенез (термин Е.М. Катасонова), представляет собой процесс трехстороннего (сбоку, снизу и сверху) промерзания относительно глубоководных субаквальных отложений, происходящий до (или непосредственно после) завершения осадконакопления. При парасингенезе формируется криогенное строение «эпигенетического» типа. Шлиры сегрегационного льда обычно параллельны фронту (фронтам) промерзания, поэтому наибольшее распространение получили косослоистые, решетчатые и плетенчатые криотекстуры.

5. Территория Северной Якутии хараетеризуется практически повсеместным распространением высокольдистых синкриогенных отложений разного генезиса, близких по составу и криогенному строению, включающих мощные ПЖЛ. Доминирующее значение имеют четыре комплекса синкриогенных четвертичных отложений: отложения ледового комплексасклоновые отложенияотложения аласного комплексасовременные аллювиальные отложения. На основе результатов изучения криогенного строении и льдистости отложений разработана морфогенетическая классификация основных криогенных текстур ММП Северной Якутии, включающая данные о составе и генезисе отложений, типе (подтипе) криолитогенеза, преобладающих значениях суммарной влажности, параметрах криогенной текстуры. В криогенном строении четвертичных отложений Северной Якутии доминирующую роль играют криотекстуры, характерные для СКО-1, реже — для СКО-2 и парасинкриогенных отложений.

6. Установлено, что в большинстве изученных разрезов преобладают СКО-1 с микрошлировой частослоистой криотекстурой в сочетании со сравнительно редкими и маломощными поясками. Линзы и горизонты СКО-2, мощность которых колеблется от 0,3 до 3 м, встречаются на разных глубинах в преобладающей части разрезов отложений различного генезиса и возраста. Во многих случаях эти горизонты приурочены к погребенным почвам, нередко они залегают над погребенными ПЖЛ, а также маркируют переход от субаквальных условий к суб-аэральным.

Для СКО-2 характерна поясковая криотекстура в сочетании с атакситовой и сетчатой. Совокупная мощность горизонтов СКО-2 составляет 20−30% мощности всей синкриогенной толщи. Суммарная влажность СКО-1 редко превышает 7080%, тогда как для СКО-2 она часто достигает 150−200%, поэтому увеличение среднего по разрезу значения суммарной влажности при наличии СКО-2 обычно составяет не менее, чем 15−20% (без учета льдистости за счет залежеобразующих льдов).

7. Инженерно-геологическое изучение и опробование СКО-2 нельзя проводить традиционными методами. Разработана методика, позволяющая достаточно точно определять суммарную влажность СКО-2. Наличие в разрезе горизонтов СКО-2, отличающихся исключительно высокой льдистостью, существенным образом изменяет общую инженерно-геокриологическую характеристику изучаемой толщи, влияет на развитие деструктивных криогенных процессов — термокарста, термоэрозии, термоабразии, термоденудации.

8. Из всех видов техногенных отложений россыпных месторождений Северной Якутии наиболее широко распространены отложения вскрышных отвалов и отложения отстойников. Разработана классификация техногенных отложений, отражающая их генезис, состав, криогенное строение и суммарную влажность. Отложения отстойников, в разрезе которых выделяются все 3 подтипа синкриогенных отложений, могут рассматриваться как модель для изучения различных механизмов сингенетического промерзания.