Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Роль морских гидродинамических процессов в формировании залежей пластовых льдов на арктическом побережье
В.Н. Голубев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Статья поступила в редакцию 1 июня 2006 г. Представлена членом редколлегии А.Ф. Глазовским
Формирование высокольдистых горизонтов и пластовых залежей льда на арктическом побережье рассматривается как результат воздействия прибрежных гидродинамических процессов на уровень грунтовых вод во время общей трансгрессии моря и похолодания климата.
Введение
В многолетнемерзлых породах прибрежных низменностей Арктического бассейна широко распространены залежи массивного льда, иногда удаленные от современной береговой линии на 100—200 км. Горизонтальные размеры залежей составляют обычно десятки-сотни метров и значительно превосходят вертикальные, что, в частности, и послужило основанием предложить для их обозначения термин «пластовые льды» [25]. Вмещающие породы в области распространения пластовых льдов обычно представлены отложениями морского генезиса, часто засоленными (1—40 г/л) [1, 21], тогда как сами льды имеют низкую минерализацию, пресный и даже ультрапресный состав (0,01—0,3 г/л) [2, 10, 11, 22]. Залегание и тем более формирование льдов такого состава в засоленных отложениях морского генезиса — один из трудно объяснимых фактов при рассмотрении генезиса льдов и вод, участвовавших в льдообразовании. По содержанию тяжелых изотопов (818О от -16 до -20%с) они довольно далеко отстоят от изотопного состава морской воды и морских льдов (818О от -1 до +4%с) [2, 5, 14, 15]. Вместе с тем по соотношению 18О и D пластовые льды располагаются вблизи глобальной линии метеорных вод, т.е. возможно их происхождение из воды атмосферных осадков, формировавшихся при температуре от -10 до -15°С. Ионный состав ледяных залежей характеризуется преобладанием гидрокарбонатов НС03>а>80ф №+>Са2+>М§2+ [5], что также указывает на участие грунтовых вод в формировании пластовых льдов. Однако, как отмечено в работе [11], данные о химическом составе таких льдов еще не могут служить надежным источником информации об их генезисе.
В строении и залегании «пластового комплекса» исследователи часто отмечают ряд характерных особенностей [4, 13]: 1) пластовые льды залегают согласно со слоистостью перекрывающих глин и суглинков и обычно подстилаются песчаными отложениями; 2) перекрывающие глинистые отложения вблизи контакта льдонасыщены, содержат различно ориентированные ледяные прослои и шлиры разных раз-
меров; 3) вмещающие породы обычно засолены на всем простирании пластовой залежи, тогда как химический состав пластового льда в ее пределах может меняться от ультрапресного до солоноватого. Отмечается также присутствие в верхней части пластовых залежей большого количества остроугольных обломков перекрывающих глинистых алевритов [5, 14]. М.М.Корейша [13] охарактеризовал эту особенность строения как первично сегрегационную криогенную текстуру перекрывающих отложений, сформировавшуюся при промерзании сверху и воздействии снизу свободных грунтовых вод, подчеркивая, что блоки упомянутых отложений с ненарушенной текстурой как бы взвешены в окружающем их льду.
Основные гипотезы относительно генезиса и механизма формирования пластовых льдов предполагают: их внутригрунтовое происхождение в результате разных вариантов инъекционного и сегрегационного льдообразования [4]; первично наземное происхождение и последующее захоронение [12, 19, 20]; субмаринный криолитогенез [17, 23, 24]. П.А. Шум-ский [25] еще в середине прошлого века показал, что попытки объяснить генезис подземных льдов действием какого-то одного механизма льдообразования не могут быть успешными. Естественно полагать, что и залежи пластовых льдов могут иметь различный генезис. Вполне вероятно и существование полигенетических залежей [23].
Критерием при определении генезиса внутри-грунтовой залежи могли бы служить текстура и структура самого льда. Пластовые залежи, расположенные вблизи морского побережья, часто формируются разно ориентированными (иногда волнистыми) слоями льда, облекающими линзы минерального вещества, близкого по составу и текстуре вмещающим грунтам. Столбчатые, короткостолбчатые до изомет-ричных кристаллы льда, образующие эти слои, обычно не имеют какого-либо преимущественного направления оптических осей, общего для залежи в целом или конкретного слоя. Если бы ледяной пласт формировался в результате редко повторяющихся инъекций, то слагающие его слои должны были быть
32
сложены столбчатыми и призматическими кристаллами с закономерно изменяющейся в каждом слое преимущественной ориентацией оптических осей. Однако при таком генезисе пласта серьезной проблемой становится объяснение его слоистого строения и обоснование многократного повторения иньекций в одном и том же месте. Формирование пласта льда в результате инфильтрации предполагает фильтрацию воды из замкнутых подозерных таликов к глубоко залегающей кровле мерзлоты и образование массивного льда со сравнительно редкими воздушными включениями и высоким содержанием минерального материала, относительно равномерно распределенного во льду. При сегрегационном механизме роста ледяного слоя требуется постоянное и интенсивное поступление связанной воды к фронту кристаллизации, т.е. образование ледяных тел с размерами, характерными для пластовых залежей, становится проблематичным. Гипотезы субмаринного криолитогенеза предполагают непосредственное участие морских вод в формировании подземных (подводных) ледяных образований [17, 24]. Однако при таком механизме изотопный и химический состав ледяных пластов должен существенно отличаться от обычного для внутригрунтовых ледяных залежей.
При первично наземном происхождении лед залежей может иметь слоистую текстуру. Слои в случае захоронения наледного, озерного или морского льда должны быть сложены столбчатыми или призматическими кристаллами с преимущественной периодически изменяющейся ориентацией оптических осей. Удлиненные воздушные включения обычно вытягиваются вдоль границ кристаллов, а включения сферической или неправильной формы располагаются на контактах слоев. Ледниковый захороненный («мертвый») лед обычно сложен крупными кристаллами сложной формы с воздушными включениями изометричной формы, расположенными внутри и на границах кристаллов, и характеризуется сравнительно низким содержанием минерального материала.
Вслед за авторами [13] приходится признать, что петрографические исследования, без поддержки других методов, не дают исчерпывающего ответа на вопрос относительно генезиса ледяного образования. Вместе с тем, как показывает приведенное описание основных особенностей строения подземных льдов разного генезиса, льды прибрежных пластовых залежей по своему строению едва ли могут соответствовать морским, озерным и наледным льдам, ледниковому погребенному льду, а также сегрегационным и инфильтрационным льдам, но вполне могут отвечать массивам иньекционного льда, и это согласуется с [4]. Однако необходимы дополнительные исследования для объяснения слоистого строения залежей пластовых льдов в предположении, что формирование их происходило по иньекционному механизму.
По результатам наблюдений за вариациями уровня грунтовых вод на побережье Белого моря,
выполненных в течение трех полевых периодов, и материалов физического моделирования льдообразования в грунтах разного состава предлагается механизм формирования пластовых залежей льда, реализация которого возможна в полосе воздействия прибрежных гидродинамических процессов в периоды постепенного отступания моря и общего похолодания климата. Образование в промерзающей толще высокольдистых горизонтов и залежей массивного льда предлагается рассматривать как результат избыточного увлажнения грунтов в прибрежной зоне вследствие подъема грунтовых вод до границы промерзания при периодических изменениях уровня морской воды, вызванных приливными и сгонно-нагонными явлениями, а также короткопериодными трансгрессиями (порядка десятков-сотен лет) на фоне продолжающейся регрессии. Периодичностью изменений уровня моря (от суточных приливно-отлив-ных явлений до трансгрессий-регрессий) может быть объяснена прерывистость процесса льдообразования и, как следствие этого, слоистая текстура пластовых залежей льда.
Основные положения
Согласно данным палеогеографических исследований, в верхнем плейстоцене береговая линия арктических морей существенно изменялась вследствие колебаний уровня Мирового океана и тектонических процессов [9, 18]. В сартанскую эпоху прибрежные территории, освобождавшиеся при регрессии моря, интенсивно промерзали под воздействием становившихся все более суровыми климатических условий. Приуроченность большинства известных ледяных залежей к участкам приморских низменностей, подвергавшихся в этот период неоднократному отступанию и наступанию моря, как и особенности строения льдистых толщ и «пластовых комплексов», указывают на ведущую роль динамики морского бассейна в их формировании.
Средняя амплитуда приливной волны в открытом море составляет около 0,5 м, но у побережья высота прилива существенно изменяется под влиянием конфигурации берегов и рельефа дна. В заливах и эстуариях она возрастает по мере уменьшения их сечения, достигая в Мезенском и Пенжинском заливах соответственно 10 и 13 м, а в заливе Фанди (Канада) — даже 16 м [8]. На морском побережье, на участках с достаточно высоким уровнем прилива, сток грунтовых вод в море периодически может сдерживаться приливной/нагонной волной, их уровень поднимается, и часть порового пространства водоненасыщенного грунта заполняется продолжающей поступать грунтовой водой. В периоды регрессии моря и похолодания климата, когда породы на освобождавшейся территории быстро промерзали, уровень грунтовых вод на участках интенсивного стока или напора [14, 16] мог во время приливов или нагонных явлений достигать подошвы уже промерзшей вышележащей толщи. В зонах контактирования с промерзшим грунтом периоди-
- 33 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
0
Рис. 1. Сх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.