Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности формирования синкриогенных отложений 11
1.1. Типы и подтипы криолитогенеза 11
1.2. Первый подтип сингенеза (собственно сингенез) 16
1.2.1. Понятие сингенеза и особенности формирования собственно синкриогенных отложений 16
1.2.2. Основные факторы, определяющие криогенное строение и льдистость отложений при сингенетическом промерзании 28
1.3. Второй подтип сингенеза (квазисингенез) 47
1.3.1. Понятие квазисингенеза, криогенное строение промежуточного слоя 47
1.3.2. Основные механизмы формирования синкриогенных отложений второго подтипа 59
1.4. Третий подтип сингенеза (парасингенез) 65
2. Характеристика криогенного строения и льдистости синкриогенных четвертичных отложений северной якутии 75
2.1. Отложения ледового комплекса 76
2.2. Склоновые отложения 87
2.2.1. Делювиально-солифлюкционные отложения 87
2.2.2. Делювиально-пролювиальные отложения 93
2.3. Аласные отложения 98
2.4. Современные аллювиальные отложения 114
2.5. Морфогенетическая классификация криогенных текстур многолетнемерзлых пород северной якутии 120
3. Роль синкриогенных отложений второго подтипа в формировании четвертичных толщ северной якутии 126
3.1. Особенности залегания синкриогенных отложений второго подтипа в разрезах четвертичных отложений северной якутии 126
3.1.1. Синкриогенные отложения второго подтипа в разрезах ледового комплекса 126
3.1.2. Синкриогенные отложения второго подтипа в разрезах делювиально-солифлюкщюнных отложениях. 135
3.2. Особенности изучения и инженерно-геологическое значение синкриогенных отложений второго подтипа 144
3.2.1. Особенности изучения криогенного строения и свойств 144
3.2.2. Инженерно-геологическое значение 147
4. Криогенное строение техногенных отложений россыпных месторождений северной якутии 151
4.1. Классификация техногенных отложений 151
4.2. Отложения вскрышных отвалов 153
4.3. Отложения отстойников 154
Заключение 161
- Первый подтип сингенеза (собственно сингенез)
- Второй подтип сингенеза (квазисингенез)
- Склоновые отложения
- Особенности изучения и инженерно-геологическое значение синкриогенных отложений второго подтипа
Введение к работе
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 50-60 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; Ку-
ницкий, 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 синкрио-
генных 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 до-
линах 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:
Выделены и охарактеризованы подтипы сингенетического типа крио-литогенеза, проведен их сравнительный анализ.
Установлены особенности сингенетического промерзания и важнейшие факторы, определяющие криогенное строение и льдистость отложений, относящихся к различным подтипам сингенеза; выявлены механизмы формирования синкриогенных отложений второго подтипа.
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).
Составлена морфогенетическая классификация основных криогенных текстур ММП Северной Якутии, включающая данные о составе и генезисе отло-
жений, типе (подтипе) криолитогенеза, преобладающих значениях суммарной влажности, параметрах криогенной текстуры.
Изучено распределение синкриогенных отложений второго подтипа в разрезах четвертичных отложений различного генезиса, а также связанное с ним распределение влажности по разрезу.
Разработана методика определения суммарной влажности синкриогенных отложений второго подтипа, охарактеризовано инженерно-геологическое значение этих отложений.
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 отложений; для оценки льдистости; при 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:
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).
Показано, что характер криогенного строения собственно синкриоген-ных отложений определяется тремя основными процессами: льдообразованием в СТС; льдообразованием в верхних горизонтах ММП; формированием 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.
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 седиментации; их действие происходит при существенном изменении фациальных условий.
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 сравни-
тельно 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, по
зволяющая достаточно точно определять суммарную влажность СКО-2. Охарак
теризовано инженерно-геокриологическое значение СКО-2, наличие которых в
разрезе влияет на развитие деструктивных криогенных процессов.
7. Изучено криогенное строение техногенных отложений россыпных ме
сторождений Северной Якутии. Показано, что наиболее широко распространены
отложения вскрышных отвалов и отстойников. Разработана классификация тех
ногенных 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 формиро-
вании 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 II 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.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору, доктору геолого-минералогических наук Е.С. Мельникову за большую помощь и постоянную поддержку. Написание работы оказалось возможным благодаря помощи и ценным советам д.г.-м.н. Ю.Л. Шура и к.г.-м.н. А.А. Васильева, которым автор также выражает глубокую признательность. Автор искренне признателен к.г.-м.н. Г.Ф. Гравису, к.г.н. Н.В. Давидович, Т.Б. Кру-пиной, к.г.н. И.Д. Стрелецкой, д.г.-м.н. СМ. Фотиеву, прочитавшим работу и сделавшим ценные замечания. Автор благодарит за дружескую поддержку и помощь в проведении полевых и камеральных исследований к.г.н. М.Н. Григорьева, к.г.-м.н. Д.С. Дроздова, к.г.-м.н. В.Г. Заиканова, В.Е. Катасонова, Ю.В. Коросте-лева, к.г.-м.н. В.В. Максимова, к.г.-м.н. Г.В. Малкову, О.Е. Пономареву, И.А. Са-мылина, к.г.-м.н. В.Б. Славина-Боровского и многих других коллег по работе во ВСЕГИНГЕО и ИКЗ СО РАН.
Первый подтип сингенеза (собственно сингенез)
Вопросам формирования синкриогенных отложений посвящено огромное количество публикаций (Попов, 1953, 1967, 1975, 1985; Катасонов, 1960, 1973; Втюрин, 1975; Шумский, 1955; Романовский, 1958, 1961, 1977, 1993; Гра-вис, 1969, 1981, 2001; Гасанов, 1981; Данилов, 1978, 1990; Жесткова, 1982; Заика-нов, 1991; Каплина, 1978, 1981, 1987; Кондратьева и др., 1975; Конищев, 1975, 1983; Кудрявцев, 1961; Максимова, 1973; Розенбаум, 1981; Соломатин, 1974, 1986; и др.). Благодаря исследованиям, проведенным этими и многими другими учеными, к настоящему времени удалось понять механизм сингенетического промерзания отложений, определить основные условия, при которых формируются синкриогенные отложения, получить большой объем данных об их криогенном строении и льдистости. Сингенетический способ промерзания предполагает нестационарность земной поверхности, связанную с ее постепенным повышением в результате накопления осадков. При сингенезе любой верхний слой свежеотложенного осадка по мере его погребения новыми слоями по прошествии некоторого времени становится вечномерзлым (Попов и др., 1985). Важнейшей отличительной чертой сингенетического промерзания является совпадение геологического и криогенного возраста отложений (Романовский, 1993), что подразумевает совпадение фаци-альных условий при накоплении и при промерзании осадка (Жесткова, 1982).
Необходимо отметить, что одновременность (определяемая самим термином «сингенез») процессов седиментации и перехода отложений в многолет-немерзлое состояние является в значительной степени условной, так как такой переход непосредственно после накопления осадка происходит достаточно редко (обычно в случае «одномоментного» накопления осадка значительной мощности, например, при формировании оползневых или пролювиальных отложений). Как пишет Ш.Ш. Гасанов (1981), «К сингенетическому типу относятся породы, промерзшие преимущественно снизу вверх в процессе седиментогенеза путем непрерывного наращивания одновозрастных слоев на кровле вечной мерзлоты. Разрыв во времени между седиментацией и диагенезом каждого элементарного слоя соответствует примерно интервалу, необходимому для накопления в данных условиях осадка, равного по мощности СТС» (С. 13). Говоря о «преимущественном промерзании снизу вверх», Ш.Ш. Гасанов, возможно, подразумевал процесс промерзания снизу грунтов СТС, а не собственно процесс нарастания синкриогенной толщи, который всегда идет снизу вверх (если не рассматривать гипотетически возможное формирование синкриогенных отложений на потолке подземных полостей). Для того, чтобы избежать подобной неопределенности, необходимо четко разграничивать эти два процесса — ведь формирование синкриогенных отложений может идти и в условиях промерзания СТС исключительно сверху (при достаточно высоких температурах ММП), правда, льдистость образующейся при этом синкриогенной толщи обычно невелика.
Образование синкриогенных отложений возможно лишь при выполнении следующего условия, сформулированного Т.Н. Жестковой (1982): при накоплении осадка величина промерзания фунтов зимой должна быть больше величины их оттаивания летом. Вместе с тем, можно говорить и о формировании сингенетических талых толщ, осадки которых в процессе накопления подвергались лишь сезонному промерзанию; развитие подобного сингенетического процесса в определенных условиях (прежде всего, в районах с резко континентальным климатом, расположенных вблизи южной границы криолитозоны) может сопровождаться облессованием откладывающихся осадков (Попов и др., 1985). Сингенетическому промерзанию подвергаются породы различного генезиса (аллювиальные, озерные, болотные, прибрежно-морские, делювиальные, со-лифлюкционные и др.), при этом наиболее ярко сингенез проявляется при промерзании пойменного аллювия (Попов и др., 1985). По мнению Ш.Ш. Гасанова, сингенетическое промерзание отложений возможно при соблюдении трех необходимых условий: 1) криогенный диагенез материала седиментации на подошве СТС; 2) равномерное наращивание пород снизу вверх; 3) длительное сохранение на площади седиментации однородных климатических и ландшафтных условий. Для пойменных отложений необходимо соблюдение всех трех условий, для склоновых - соблюдение первого и третьего условия, для прибрежно-морских - первого и второго (Гасанов, 1981). На наш взгляд, из всех перечисленных Ш.Ш. Гасановым условий по-настоящему необходимым (а точнее, неизбежным) является только первое -криогенный диагенез материала седиментации на подошве СТС. Равномерное наращивание пород и длительное сохранение неизменных фациальных условий можно скорее рассматривать как некую идеальную модель, ибо при изучении реальных разрезов отложений различного генезиса эти два условия диагностируются далеко не всегда. Говорить о «равномерном наращивании» синкриогенных пород нежелательно также потому, что наращивание сингенетического горизонта вверх обычно происходит скачкообразно, ритмично, слоями, мощность которых существенно превышает мощность накопившегося за год осадка (на это указывает большинство исследователей, в том числе и сам Ш.Ш. Гасанов).
На рис. 1.1, представляющем собой классическую схему А.И. Попова (1967, 1985) с небольшими изменениями, показан процесс формирования крио-текстурных ритмов при сингенетическом промерзании, связанный с цикличными изменениями глубины сезонного оттаивания. Криогенное строение, формирующееся при сингенетическом способе промерзания, А.И. Попов объясняет соотношением темпов осадконакопления и циклического изменения мощности СТС, связанного с многолетними климатическими колебаниями. Очевидно, что чем продолжительнее циклы и чем больше скорость осадконакопления, тем крупнее будут пачки (или ритмы), переходящие в многолетнемерзлое состояние. Формирующийся при сингенетическом промерзании криотекстурный (Попов, 1967, 1985; Кузнецова, 1987) или криогенный (Романовский, 1993) ритм состоит из одного ледяного или ледогрунтового прослоя (пояска) и примыкающего к нему сверху менее льдистого горизонта. Нижняя высокольдистая часть ритмов образуется при переходе в многолетнемерзлое состояние переувлажненного основания СТС в результате повторной сегрегации, когда в годы максимальной мощности СТС ледяные шлиры в его основании полностью не вытаивают, и на них намерзают новые шлиры (Гравис, 2001). Наиболее благоприятные условия для формирования мощных поясков возникают при относительной стабильности СТС (Романовский, 1993).
Второй подтип сингенеза (квазисингенез)
В качестве одного из основных механизмов формирования синкриоген-ных отложений 2-го подтипа мы рассматриваем квазисингенез. Под квазисингенезом (Шур, 1988) понимается процесс формирования высокольдистых отложений в верхней части толщи ММП за счет последовательного уменьшения мощности СТС и перехода значительной его части в многолетнемерзлое состояние в результате промерзания снизу. Развитие этого процесса приводит к формированию так называемого промежуточного слоя. Квазисингенез имеет ряд общих черт с сингенезом, но в отличие от последнего протекает после прекращения осадкона-копления. В соответствии с этим определением, квазисингенез нельзя полностью отождествлять ни с «классическим» сингенезом, ни с эпигенезом. Наличие перерыва во времени между завершением осадконакопления и промерзанием промежуточного слоя сближает (по формальному признаку) квазисингенез с эпигенезом, однако сам характер промерзания (последовательный переход в многолетне-мерзлое состояние пород нижней части СТС) и некоторые особенности криогенного строения имеют много общего с сингенезом. Поэтому использование термина «квазисингенез» (иначе говоря, ложный, или мнимый сингенез) применительно к породам промежуточного слоя представляется достаточно обоснованным. Следует отметить, что схожий термин («ложный сингенез») ранее был предложен Н.Н. Романовским (1977) при описании процесса роста эпигенетической ледяной жилы в условиях постепенного сокращения мощности СТС. Несмотря на то, что уровень поверхности в этом случае остается неизменным (что, по нашему мнению, не совсем верно, так как даже при полном прекращении осадконакопления может происходить рост поверхности в результате пучения при промерзании нижней части СТС, а также выжимания вверх отложений, вмещающих ПЖЛ), ледяные жилы приобретают признаки синхронности роста и промерзания отложений, т.е. признаки «ложного сингенеза». К этим признакам Н.Н. Романовский относит «плечики» на боковых контактах жилы, узкие ростки над верхней поверхностью крупных жил, включение ледяных шлиров в тело жилы и т.д.
Н.Н. Романовский, в отличие от Ю.Л. Шура, не связывает процесс «ложного сингенеза» с формированием в верхней части толщи ММП какого-либо слоя или горизонта, обладающего специфическими свойствами. Вместе с тем, развитие небольших эпигенетических жил в верхней части толщи ММП имеет непосредственное отношение к квазисингенезу: одной из характерных особенностей промежуточного слоя является наличие в его пределах узких (шириной не более 0,2-0,3 м) ледяных жил с признаками ложного сингенеза. Эти жилы внедряются в мощные сингенетические ледяные жилы, «срезаемые» сверху промежуточным слоем. Отметим, что термин «ложный сингенез» некоторые исследователи сочли неудачным (как впоследствии и термин «квазисингенез»). Так, А.И. Попов, Г.Э. Розенбаум и Н.В. Тумель (1985) считают, что тезис о сокращении мощности СТС при смене фациальных условий на поверхности неверен: по их мнению, такая смена возможна только в условиях продолжающегося накопления осадков, поэтому речь может идти только об истинном сингенезе (С. 190). К сожалению, обоснование этого вывода в книге отсутствует. На наш взгляд, имеются достаточно убедительные доказательства того, что процесс «сингенеза при отсутствии осадконакопления» (а именно на такой механизм указывают названия «квазисингенез» и «ложный сингенез») действительно существует и должен рассматриваться как отдельный подтип сингенетического типа криолитогенеза, а не как некий «частный случай» сингенеза. На это указывает широкое распространение квазисингенеза; кроме того, промежуточный слой по своему криогенному строению достаточно резко отличается как от эпи-криогенных, так и от «чисто» синкриогенных пород. Представляется, что выделение горизонтов СКО-2 (независимо от их наименования) при изучении разрезов ММП является обязательным элементом инженерно-геокриологических исследований (автор попытается доказать это в последующих разделах работы).
На широкое развитие квазисингенеза указывает то обстоятельство, что промежуточный слой распространен на севере криолитозоны практически повсеместно: выделяется он в породах различного возраста, состава, криогенного происхождения (синкриогенных, эпикриогенных), фациальной принадлежности (Шур, 1988). Исключение составляют участки развития термокарстовых и термоэрозионных процессов, где промежуточный слой деградировал, а также участки активной седиментации, где в настоящее время идет формирование синкриоген-ных пород 1-го типа (поймы, днища аласов и др.). Промежуточный слой, мощность которого в ненарушенных условиях составляет в среднем 1-1,5 м, характеризуется исключительно высокой льдистостью (его суммарная влажность по отношению к сухой навеске в отложениях супесча-но-суглинистого состава обычно составляет 100-180% и даже более). Для него характерна поясковая криотекстура с частыми и мощными ледяными поясками; иногда при слиянии нескольких поясков образуются линзы и прослои льда мощностью до 20-30 см. Грунт между поясками также отличается высокой льдистостью, наиболее распространенными типами криотекстуры являются атакситовая и сетчатая, реже - тонкошлировая линзовидно-слоистая и микрошлировая частос-лоистая. Обычно ритмичность, характерная для синкриогенных отложений, выражена в промежуточном слое менее отчетливо. Помимо современного промежуточного слоя во многих разрезах синкриогенных отложений на разных глубинах встречаются погребенные горизонты с аналогичным криогенным строением, мощность которых может достигать 2-3 м. Вопросам изучения этих горизонтов будет уделено большое внимание в следующих разделах настоящей работы. Следует отметить, что наличие повышенной льдистости в верхнем горизонте ММП отмечают многие исследователи, однако при этом существует самый широкий спектр мнений о происхождении этого высокольдистого слоя. В литературе встречаются следующие наиболее распространенные гипотезы о причинах повышенной льдистости верхней части ММП (Шур, 1988): 1) эпигенетическое промерзание недоуплотненных осадков, отлагавшихся в субаквальных условиях; 2) эпигенетическое промерзание пород, вторично увлажненных с поверхности; 3) эпигенетическое промерзание толщи практически любого генезиса, сопровождавшееся обезвоживанием подстилающих пород; 4) сингенетическое промерзание пойменных, озерных, прибрежно-морских осадков; . 5) сингенетическое промерзание делювиально-солифлюкционных отложений; 6) промерзание ранее оттаявшей с поверхности части ММП; 7) промерзание части СТС. Наиболее часто в литературе встречается точка зрения, что промежуточный слой (некоторыми авторами называемый покровным) представляет собой СТС голоценового климатического оптимума, промерзание которого при последующем похолодании климата происходило в условиях повышенной увлажненности поверхности. Так, Т.Н. Каплина (1981) пишет: "Есть основания полагать, что наряду с термокарстовыми формами рельефа реликтом голоценового климатического оптимума является так называемый "покровный слой" на едомах, повсеместно перекрывающий ледовый комплекс" (С. 175).
С этим мнением согласен и Ш.Ш. Гасанов (1981), полагающий, что в начале голоцена мощность СТС достигала 1,5-2 м, и именно с этим слоем связаны покровные отложения мощностью до 2-3 м, развитые в долинах Индигирки, Яны, Лены. По мнению СВ. Томирдиаро и Б.И. Черненького (1987), рассматриваемый слой образовался в период раннеголоценового протаивания и имеет термоделяп-сивный генезис, причем поясковую (!) криотекстуру авторы связывают с последующим «эпигенетическим промерзанием данной толщи при ее очень переувлажненном начальном состоянии» (С. 18). Дж. Мэртон и X. Френч называют такие отложения "термокарстовыми" (Murton, French, 1993). Н.Н. Романовский и О.М. Лисицына (1997), говоря о генезисе промежуточного слоя, считают, что вытаявший в период голоценового оптимума из ледового комплекса минеральный грунт сформировал горизонт делю-виально-элювиальных образований, существенно превышающий по мощности современный слой сезонного оттаивания (при этом авторы соглашаются с мнением Ю.Л. Шура о стабилизирующей роли рассматриваемого слоя). Изучение особенностей строения промежуточного слоя, проведенное Ю.Л. Шуром, показало, что возможна иная точка зрения. Прежде всего, обращает на себя внимание то обстоятельство, что в изученных на севере Якутии обнажениях ледового комплекса не были встречены (за редкими исключениями) различия в характере залегания промежуточного слоя над ледяными жилами и между ними; как правило, подошва этого слоя в целом параллельна дневной поверхности. Очевидно, что предполагаемое увеличение мощности СТС в период голоценового оптимума, приводящее к активизации термокарста, неминуемо (учитывая огромные размеры ледяных жил) сопровождалось бы образованием байджарахов или хотя бы небольших просадок над жилами. Отсутствие признаков вытаивания жил говорит о том, что отложения ледового комплекса (на участках, в настоящее время не занятых аласами) не подвергались термокарстовой переработке.
Склоновые отложения
Верхнеплейстоцен-голоценовые отложения склонового парагенетическо-го ряда широко распространены на территории Северной Якутии, особенно в горных районах. Механизму формирования солифлюкционных отложений посвящена работа Л.А. Жигарева (1967), криогенное строение склоновых отложений Северной Якутии, имеющих различный генезис, подробно рассмотрено Г.Ф. Грависом (1969). Нами склоновые отложения изучались на различных участках Яно-Омолойского междуречья (Каневский, Максимов, 1990; Каневский, 1991, 2002), а также в предгорьях Селенняхского хребта на территории месторождения «Тирехтях» (Kanevskiy, 2003). Склоновые отложения Северной Якутии отличаются достаточно сложным строением, обусловленным совместным действием в пределах одного и того же склона различных экзогенных процессов: элювиальных, коллювиальных, делювиальных, солифлюкционных и др. Большую роль играет также эрозионная и аккумулятивная деятельность мелких водотоков. Как правило, в каждом разрезе склоновых отложений переслаиваются отложения различной фациальной принадлежности, выделение которых представляет собой весьма сложную задачу.
Осложняет картину широкое развитие в пределах склонов таких криогенных процессов, как морозобойное растрескивание, формирование ПЖЛ, термокарст, термоэрозия и др. 2.2.1. Делювиально-солифлюкционные отложения Делювиально-солифлюкционные отложения распространены на севере Якутии наиболее широко. Детальное изучение верхнеплейстоцен-голоценовых склоновых отложений преимущественно делювиально-солифлюкционного генезиса проводилось нами в северной части гряды Улахан-Сис (Яно-Омолойское междуречье), в долинах рек Иэкийээс и Бургуаат (Каневский, 1991). Склоновые отложения представлены здесь буровато-серыми пылеватыми супесями и суглинками с отдельными включениями щебня сланцев, ожелезненными, с обилием органических остатков. Мощность отложений в средних и нижних частях склонов может достигать 10-15 м и более. По составу, криогенному строению и свойствам делювиально-солифлюкционные отложения очень близки отложениям ледового комплекса, с которыми они, безусловно, парагенетически связаны. Основное отличие заключается в условиях залегания: ледовый комплекс слагает террасоувалы, а делювиально-солифлюкционные отложения - склоны водоразделов, у подножья которых нередко развиты террасоувалы. Поэтому граница между двумя комплексами пород в ряде случаев проводится весьма условно. По величине объемной макрольдистости за счет ПЖЛ делювиально-солифлюкционные отложения также сходны с ледовым комплексом (преобладают значения 35-40%), однако в строении ледяных жил есть немалые различия. Так, в наклонном стволе шахты, пройденной в нижней части склона г.Иэкийээс (крутизна склона около 5), были встречены жилы очень сложной конфигурации (рис. 2.7, 2.8). Если жилы, ориентированные вдоль склона, отличаются большой мощностью (ширина 3-4 м и более) и симметричным строением, то жилы, перпендикулярные падению склона, имеют резко асимметричное строение, прерывистый характер, их ширина не превышает 1-2 м, а расстояние между этими жилами колеблется от 2-3 до 7 м. Большинство таких жил отклонены от вертикали в сторону падения склона, вплоть до субгоризонтального залегания (рис. 2.7).
По мнению Г.Ф. Грависа (1969), это свидетельствует об активности солифлюкционных процессов в период накопления отложений. На наш взгляд, наклон жил может также являться следствием медленного смещения высокольдистой толщи вниз по склону (наподобие движения ледников). В изучаемом разрезе отмечаются многочисленные пликативные и дизъюнктивные нарушения в залегании слоев. С эрозионной деятельностью в период накопления отложений связаны многочисленные линзы термокарстово-пещерного льда, местами образующие ледяные псевдоморфозы по ПЖЛ (в отложениях ледового комплекса такие образования встречаются существенно реже). Интересно, что некоторые ледяные тела имеют в плане зигзагообразную форму, повторяющую, по-видимому, конфигурацию ручейков, «пропиливавших» склоновые отложения. Криогенное строение данного разреза характеризуется преобладанием линзовидно-слоистой криотекстурой (микро- и тонкошлировой) в сочетании с поясковои, причем толщина поясков обычно не превышает 1-1,5 см. При этом в разрезе на разных глубинах отмечаются выдержанные по простиранию горизонты, обладающие существенно более высокой льдистостью, мощность которых колеблется от 0,5 до 1,5 м. Для них характерны сгущения поясков, порой формирующие ледяные прослои толщиной до 10-15 см. Интересно, что такие горизонты нередко косо срезают нижележащие отложения, отличающиеся меньшей льдистостью (рис. 2.9). По нашему мнению, формирование этих горизонтов, которые мы склонны относить к синкриогенным отложениям 2-го подтипа (СКО-2), связано со срезанием в результате эрозии верхней части слоя ранее накопившихся отложений. Произошедшее при этом уничтожение почвенно-растительного слоя привело к резкому увеличению мощности СТС. Затем, по мере зарастания этого участка склона, мощность СТС постепенно сокращалась, что и послужило причиной формирования высокольдистого горизонта. Возобновившееся осадконакоп-ление привело к погребению этого горизонта
Изучение делювиально-пролювиальных отложений проводилось нами в процессе исследований территории месторождения «Тирехтях», расположенного на границе предгорий Селенняхского хребта и краевой части Момо-Селенняхской впадины. Разрезы склоновых отложений (в частности, на склонах г. Дружба), мощность которых достигает 30-40 м, чаще всего характеризуются переслаиванием делювиально-солифлюкционных и пролювиальных отложений. Описания близких по строению разрезов приводятся в работе Г.И. Гордеевой и А.Н. Козлова (2001). Делювиально-солифлюкционные отложения на участке «Тирехтях» представлены сильнольдистыми пылеватыми оторфованными супесями и суглинками с включениями щебня и дресвы; для пролювиальных отложений характерна значительно большая доля грубообломочного материала. Отложения включают мощные ПЖЛ: в делювиально-солифлюкционных отложениях встречены ледяные жилы шириной до 3 м и вертикальной протяженностью до 20-30 м; ширина жил в пролювиальных отложениях достигает 1-2 м при вертикальной протяженности до 10-15 м. Для делювиально-солифлюкционных отложений характерны два типа криогенного строения. Первый тип (СКО-1) характеризуется поясковой криотек-стурой со сравнительно редкими и тонкими поясками в сочетании с линзовидно-слоистой криотекстурой (толщина шлиров до 0,2 см, расстояние между ними 0,2-0,4 см); встречается также микрошлировая частослоистая криотекстура, вокруг включений грубообломочного материала - корковая.
Суммарная влажность отложений с подобным криогенным строением не превышает 80%. Второму типу криогенного строения делювиально-солифлюкционных отложений (СКО-2) свойственна поясковая криотекстура (толщина поясков до 3 см, расстояние между ними 5-Ю см) в сочетании с сетчатой (толщина шлиров до 0,3 см, средний размер минеральных блоков 0,5x1,5 см), атакситовой и корковой (толщина ледяных корок вокруг включений грубообломочного материала достигает 1,0 см). Максимальная суммарная влажность отложений достигает 150%. Пролювиальные отложения по своему криогенному строению также разделяются на два типа. Первый тип (СКО-1) отличается преобладанием корковой криотекстурой (толщина корок льда составляет в среднем 0,1-0,2 см, максимальная - 1,5 см), встречаются отдельные пояски, в супесчано-суглинистом заполнителе местами отмечается линзовидно-слоистая криотекстура. Суммарная влажность отложений колеблется от 20 до 70%. Второй тип криогенного строения пролювиальных отложений (СКО-2) характеризуется поясковой криотекстурой (толщина поясков до 3-5 см, пояски не выдержаны по простиранию) в сочетании с базальной. Максимальная суммарная влажность отложений достигает 150%. Разрез через конус выноса, сформированный переслаивающимися делю-виально-солифлюкционными и пролювиальными отложениями, приведен на рис. 2.10. В дополнение к этому разрезу приведем описание криогенного строения, составленное по результатам документации шурфа №24:
Особенности изучения и инженерно-геологическое значение синкриогенных отложений второго подтипа
Особенности криогенного строения синкриогенных отложений 2-го подтипа, о которых говорилось выше, не позволяют проводить их инженерно-геологическое изучение и опробование традиционными методами. Высокая льди-стость, разнообразие криогенных текстур, незначительные мощности криотек-стурных горизонтов, переслаивающихся между собой, требуют особо тщательного подхода к изучению криогенного строения этих отложений. Безусловно, наиболее точная характеристика может быть получена при документации разрезов естественных обнажений и стенок горных выработок, включающей зарисовки, подробное описание, детальную фотосъемку. При отсутствии таких разрезов изучение криогенного строения проводится по керну скважин, что дает менее подробную информацию, однако позволяет детально опробовать разрез. При описании керна необходимо тщательно фиксировать мощности ледяных поясков и расстояния между ними, оценивать параметры криогенных текстур, зарисовывать основные элементы криогенного строения. Важнейшей характеристикой СКО-2, в значительной степени определяющей их основные инженерно-геологические свойства, является льдистость. Для отложений с текстурообразующими льдами льдистость обычно характеризуется величиной суммарной влажности (по отношению к сухой навеске). Существующие эмпирические и расчетные зависимости позволяют по имеющимся значениям суммарной влажности достаточно точно оценить такие важные характеристики мерзлых пород, как объемный вес и осадка при оттаивании. Поэтому выбору методов определения суммарной влажности СКО-2 должно уделяться особое внимание.
Наличие мощных поясков, сложное криогенное строение, преобладание в разрезе этих отложений атакситовой и сетчатой криотекстур, характеризующихся очень высокой льдистостью, не позволяют использовать для определения суммарной влажности стандартные бюксы. Учитывая важную роль, которую играют СКО-2, от наличия которых во многом зависит ход развития деструктивных криогенных процессов (в частности, на участках хозяйственного освоения), следует признать неприемлемой практику применения точечного опробования, так как она не позволяет получить объективные характеристики влажности этих отложений (Каневский, Максимов, 1990). При изучении СКО-2 с помощью бурения предпочтительно использовать метод средней пробы, при котором весь керн, относящийся к данному квазисин-криогенному горизонту, собирается в одну емкость, растапливается (при этом необходимо минимизировать испарение воды) и тщательно перемешивается, после чего из получившейся суспензии отбирается несколько бюксов для определения влажности весовым способом. Определенная этим методом суммарная влажность СКО-2 на севере Якутии во всех случаях превышает 100%, достигая нередко 150% и более.
Учитывая трудоемкость этого метода, можно предложить другой, комбинированный, способ, включающий определение объемной льдистости за счет поясков и отбор проб из различных криотекстурных горизонтов для определения суммарной влажности весовым способом. Объемная льдистость за счет поясков определяется с помощью мерной ленты (линейки) по керну или в обнажении как отношение суммарной мощности поясков к общей мощности горизонта СКО-2 (как показал опыт изучения высокольдистых отложений на севере Якутии, эта величина может достигать 40-50% и более). Определение суммарной влажности криотекстурных горизонтов, заключенных между поясками, предпочтительно проводить с помощью проб массой не менее 0,3-0,5 кг, так как стандартные бюк-сы можно применять только для опробования отложений с равномерным распределением ледяных включений, размер (толщина) которых измеряется первыми миллиметрами, а подобные криотекстуры встречаются в квазисинкриогенных горизонтах достаточно редко. Для последующего определения среднего значения суммарной влажности для всего квазисинкриогенного горизонта мы предлагаем проводить расчет по уже упомянутой формуле (Каневский, 1991): где Лв (для данного случая) - объемная льдистость за счет поясков, в долях единицы; \мп - средневзвешенное значение суммарной влажности разделенных поясками криотекстурных горизонтов, в долях единицы.
Одной из важнейших характеристик СКО-2 является осадка при оттаивании. Для определения ее величины обычно используются металлические стаканы высотой 10-12 см, диаметр которых соответствует диаметру керна. Осадка происходит под собственным весом; образующаяся при оттаивании вода отжимается через отверстия в днище и крышке стакана. Часть образцов после определения осадки при оттаивании желательно использовать для проведения компрессионных испытаний. Зависимости относительной осадки оттаивающих синкриогенных отложений от суммарной влажности приведены в работе Ю.Л. Шура (1988). Интересно, что относительная осадка грунтов промежуточного слоя (при тех же значениях влажности) несколько больше, чем осадка пород ледового комплекса. Ю.Л. Шур связывает это с особенностями криогенного строения: если для промежуточного слоя характерна криогенная текстура базального класса, то для ледового комплекса - прерывистого. Очень высокая льдистость отложений промежуточного слоя (СКО-2) является причиной того, что преобладающая часть образцов при оттаивании показала относительную осадку более 40% (максимальные значения -около 70%), тогда как для отложений ледового комплекса, в составе которых преобладают СКО-1, максимальные значения относительной осадки не превышают 40-45%. Таким образом, особенности криогенного строения СКО-2 не позволяют проводить их инженерно-геологическое изучение и опробование традиционными методами. В частности, следует признать неприемлемой практику применения точечного опробования, так как она не позволяет получить объективные характеристики влажности этих отложений. Для определения среднего для всего горизонта СКО-2 значения суммарной влажности предпочтительно использовать метод средней пробы, либо предлагаемый нами комбинированный метод, включающий оценку объемной льдистости за счет поясков; определение суммарной влажности криотекстурных горизонтов, заключенных между поясками, весовым способом и последующий расчет по формуле (3.1). Правильное определение суммарной влажности СКО-2 позволяет достаточно точно оценить такие важные характеристики мерзлых пород, как объемный вес и осадка при оттаивании.
