Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изотопно-кислородный анализ текстурообразующих льдов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Изотопно-кислородный анализ текстурообразующих льдов"

2 г " "

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОЛЮНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

МИХАЛЕВ Дмитрий Владиславович

УДК 551.34:621.039.85 (571.56 + 571.51)

ИЗОТОПНО-КИСЛОРОДНЫЙ АНАЛИЗ ТЕКСТУРООБРАЗУЮЩИХ ЛЬДОВ

(на примере Колымской низменности и Енисейского Севера)

04.00.07 — инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва — 1990

•л г

Работа выполнена в Проблемной научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация Защита состоится « »

доктор географических наук, доцент В. И. СОЛОМАТИН

доктор географических наук, профессор Б. И. ВТЮРИН;

доктор географических наук, старший научный сотрудник С. Д. НИКОЛАЕВ ,,

Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

1990 г. в

' ЧЯ1

час.

на заседании специализированного совета по геоморфологии и эволюционной географии, мерзлотоведению и картографии (Д-053.05.06) при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан « '/ »

1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор географических наук Г. А. САФЬЯНОВ

ВВВДЕНКЕ

. Изучение подземных льдов верхних горизонтов мерзлой зоны литосферы, максимальное развитие ко тори приурочено к рыхлому чехлу низменностей Субарктики, оказавшихся в настоящее время районами широкомасштабных геологических изысканий, промышленного и сельскохозяйственного освоения, имеет большое научное и практическое значение.

Текстурообразующие льды, консервируя вла1у преимущественно ' атмосферного происхождения, являются уникальными свидетелями климатических изменений природной среды в течение геологически продолжительного времени. Закономерности распространения, строение и состав льдов отражают особенности их формирования в отдельные этагы кайнозойской истории и общие тенденции эволюции криосферы. .

В последние годы в изучении подземных льдов расширяется использование современных физических и геохимических методов исследований. Применение их в комплексе с традиционными геологическими и криолитологическими методами позволяет не только получить новую информацию о самих льдах, но также дополнить сведения об условиях формирования вмещающих отложений. Одним из таких но-вызь перспективных направлений является анализ вариаций изотопно-кислородного состава подземных льдов. Советскими и зарубежными учеными ранее проводились исследования некоторых аспектов этого направления.

Цель данной работы состоит в исследовании закономерностей формирования изотопно-кислородного состава ( <5 180) текстурооб-разующих льдов многолетнемерзлых толщ и оценке возможностей применения изотопно-кислородного анализа льдов в геокриологии и в палеогеографии.

' Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1) анализа факторов, определяющих формирование 5 современных природных вод, участвующих в подземном льдообразовании;1

2) изучения особенностей формирования <? современных тек-сгурообразующих льдов слоя сезонного протаиваюш;

3) анализа закономерностей вариаций <5180 в современных тек-стурообразующих льдах сезонногалого слоя;

4) изучения особенностей формирования 8 180 токстурообразую-щих льдов в условиях сингенетического и эпигенетического про-

мерзания; •

5) анализа вариаций 5 текстурообразующих льдов в разрезах сшпсриогенных толщ четвертичных отложений Колымской низменности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии о темой Проблемной научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера (ПНИЛ1ЭС) Географического факультета ЫУ "Разработать теоретические и методические основы прогнозирования изменений природных комплексов Севера с целью оптимизации природопользования", а такяе с темой кафедры крполитологии и гляциологии Географического факультета МГУ "Криолитогенез прибрежных 1шзмешостей Северо-Востока СССР".

Фактический материал, послуживший основой для написания диссертации, получен автором в процессе совместных экспедиционных исследований с сотрудниками ПЮИТЭС и кафедры криолитологии и гляциологии на территории Колымской низменности в 1978-82 г. г. и 1985-87 г.г., а также Енисейского Севера в 1985-86 г.г.

Всего било отобрано более 600 Образцов, в число которых входят пробы атмосферных' осадков, поверхностных и грунтовых вод, наземных льдов, современных и древних подземных льдов различного генезиса. Кромо того, по нашей просьбе, было отобрано около 100 проб Д.А.Гиличинскиы и 30 проб С.Ф.Колесниковым. В работе используются материалы совместных исследований с А.А.Архан-геловим,' М.А.Коняхмшм, а также данные, полученные Ю.К.Василь-чуком. Основной объем аналитической обработки образцов (определенно в пробах содержания выполнен в Институте геологии /Л ЭССР под руководством Р.А.Вайкмяэ на масс-спектрометре 2>ЕЬ ТА - Е . Некоторая часть определений 6 проведена Ф.Г.Гордионко, а также автором в Лаборатории новейшее отложений Географического факультета Ь!Г/ на приборе К1-130Э. Точность определенна на обоих приборах была не ниже 0,1%..

Стационарные исследования С^О атмосферных осадков, методические работы по изучению динамики изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов сезонноталого слоя били бы невозможны без пошли сотрудников Северо-Восточной научной станции ДВО АН СССР, возглавляемой С.А.Зимовым, за что автор выражает им свою искреннюю признательность.

Методическая основа изотопно-кислородных исследований состоит из: сбора и анализа фоновых данных, отражающих вариации изотопно-кислородного состава современных текстурообразующих

льдов сезонноталого слоя (СТС), атмосферных осадков, снежного покрова, поверхностных и грунтовых вод; детального изучения состава и строения мерзлых льдистых отложений; анализа и интерпре- ' тации данных изотопно-кислородного опробования текстурообразующих льдов четвертичных отложений.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые проведено комплексное систематическое изучение особенностей формирования изотопно-кислородного состава современных текстурооб-разущих льдов и выявлены основные природные факторы, определяющие закономерные вариации значений & во льдах подошвы слоя сезонного протаивания, и на этой основе разработаны принципы объективной интерпретации данных изотопно-кислородного анализа текстурообразующих льдов в разрезах шюголетнемерглых толщ разных генетических типов.

На основании проведенных исследований:

I) установлена зависимость содержания 8 180 в современных текстурообразующих льдах слоя сезонного протаивания от изотопно-кислородного состава атмосферных осадков, выпадающих в исследуемом районе;

» 2) установлены закономерные вариации содержания 3 в современных текстурообразующих льдах подошвы слоя сезонного про-таивашш, обусловленные климатическими, геоморфологическими и мерзлотно-геологическими факторами;

3) впервые получены данные изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов сгашриогенных толщ четвертичных отложений Колымской низменности;

4) установлена зависимость изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов синкриогешшх толщ от палеоклиштн-ческой обстановки формирования различных стратиграфических горизонтов, генезиса вмещающих отложений, а таете литолого-фаци-альных и мерзлотных условий осадконакопления;

5) определены основные перспективные направления применения изотопно-кислородного анализа текстурообразующих льдов в исследовании синкриогенных четвертичных отложений - изотопно-стратиграфическое, палеоклиматическоа и фвдиально-гзнетическое.

Практическое значение диссертационной работы определяется тем, что предложенный в ней метод анализа вариаций изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов может быть использован при реконструкции палеоклнкатических условий фор.шро~

вания синкриогенных толщ четвертичных отложений, а также для-уточнения их генезиса; при изучении сингенетических многолетне-мерзлых отложений в качестве нового стратиграфического критерия, имеющего ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами стратифицирования.

Стационарные наблюдения за динамикой изотопно-кислородного состава атмосферных осадков территории Колымской низменности представляют интерес при реализации программы МАГАТЭ по изучению глобальных вариаций 8 атмосферных осадков, так как данный район СССР не охвачен сетью соответствующих станций наблюдения.

Результаты исследования S в атмосферных осадках, природных водах и современных текстурообразующих льдах сезонноталого слоя Колымской низменнрсти и Енисейского Севера могут служить в качестве фоновых значений при проведении изотопно-кислородных исследований подземных льдов.

Анализ вариаций 6 180 текстурообразующих льдов в разрезах синкриогенных толщ четвертичных отложений может быть использован при проведении геолого-съемочных и геолого-разведочных работ.

Основные положения диссертации и результаты исследовгчий докладывались на Всесоюзной конференции "Четвертичные отложения Востока СССР" (Магадан, 1982), на УШ Всесоюзном'гляциологическом симпозиуме "Льды и климат: реконструкция и прогноз" (Таллин, май 1984), на Всесоюзной конференции "Геохронология четвертичного периода" (Москва, ноябрь 1985), на гляциологической комиссии Географического общества (Москва, декабрь 1986), на расширенном заседавши Совета по криологии Земли Ali СССР (март 1987), на 33-ей конференции молодых ученых ВСЕШ1ГЕ0 (апрель IS88), на УШ Всесоюзной конференции научной молодежи "Вопросы геокриологии" (Якутск, март 1988), на Ломоносовских чтениях в МГУ (апрель 1988).

По теме диссертации опубликовано 12 работ и одна находится в печати.

Диссертация состоит из 4-х глав, введения и заключения, содержит 242 страницы, в том числе 155 страниц машинописного текста, 20 таблиц и 41 рисунок в ввде графиков и схем. Список литературы включает 130 наименований.

Постановка исследований, обработка фактического материала и теоретические построошш выполнены автором за время обучения в заочной аспирантуре в Ш1НЯГЭС под руководством доктора географических наук доцента В.И.Соломахшт, которому автор искренне

благодарен за постоянное внимание, ценные советы и замечания.

Большую помощь и поддержку автор получал со стороны старшего научного сотрудника кафедры криолитологии и гляциологии Географического фа1сультега МГУ кандидата географических наук A.A. Архангелова.

В процессе сбора, анализа и обобщения данных работа неодно-кратко обсуддалась в ПШШЭС. Автор благодарит старших научных сотрудников лаборатории - Л.А.Жигарева, В.Г.Чигира, К.С.Воскресенского, научного сотрудника М.А.Кошшша, ст.инженера З.Е.Гу-нову, а также сотрудников кафедры криолитологии и гляциологии - заведующего кафедрой профессора А.И.Попова, профессора В.Н. Коншцева, доцента В.В. Рогова и других за советы, помощь и благожелательную критику.

Автор также выражает глубокую признательность за помощь в сборе материала и полезные замечания сотрудникам Института геологии АН ЗССР, Института почвоведения и фотосинтеза АН СССР, ГШИИИСа, ТИГа ДВО АН СССР, Института географии АН СССР, Института водных проблем АН СССР: Р.А.Вайкмяэ, Д.А.Гиличинскому, ¡O.K. Васильчуку, С.А.Зимову, В.И.Николаеву, И.К.Морковкиной.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ФОНДИРОВАНИЯ ИЗОТОПНО-КИСЛОРОДОГО

СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД, УЧАСТВУЮЩИХ В ПОДЗЕМНОМ • ЛЬДООБРАЗОВАНИИ

Источником подземного льдообразования 'при синкриогенезе является, главным образом, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды.

Для понимания условий и закономерностей форчпгрования изотопно-кислородного состава тексгурообразующих льдов важно проследить его трансформацию в различных типах природных вод от шпа-дсння осадков,через формирование поверхностных и грунтовых вод, до начала кристаллизации влага в сезоннзталом слое. В главе последовательно рассштронн особенности формирования изотопного состава, а также проанализированы вариации его значений в природных водах всех отмеченных звеньев влагооборота, начиная с атмосферных осадков.

I.I. Изотопно-кислородный состав атмосферных осадков

Формирование о атмосфорцых осадков рассматривается на основании материалов исследований, опубликованных в работах В.Дансгора, Г.Крейга, Ю.кЗртсевера и Д.РЛ'ата, В.Дансгора и

С.Дгонсона, В.М.Котлякова и Ф.Г.Гордиенко, В.И.Феронского и В.А.Полякова и других авторов.

Главным механизмом, вызывающим изменения соотношения изотопных компонентов атмосферных осадков (фракционирование изотопов), являются процессы фазового перехода воды. Изотопные зависимости, сопровождающие испарение и конденсацию водяного пара, определяются двумя основными факторами: I) изотопным равновесным разделением на границе фаз; 2) изотопным разделением в результате диффузии или конвекции в граничном слое одной или обеих фаз. В первом случае коэффициент фракционирования зависит только от температуры, а во втором эта зависимость осложняется кинетическим эффектом. Экспериментальные исследования выявили близость природных процессов конденсации атмосферных осадков к равновесным условиям. Испарение не- происходит в неравновесных условиях из-за ненасыщенности атмосферы водяными парами и быстрого удаления влаги с поверхности жидкости.

Исследованиями Ю.Юртсевера и Д.Р.Гата установлено, что величина средневзвешенных значений 5 0 атмосферных осадков является много параметрической зависимостью, вида: N

<5 Щ = а0 + а^Т + а2Р + а3 L + а4А , где Т - среднемес. гная температура (°С), Р - среднемесячное количество осадков (мм), L - географическая широта (град.), А - высота над уровнем юря (м), а0, ... а4 - регрессивные коэффициенты.

Расчеты этих авторов показывают, что приземная температура воздуха является важнейшим фактором, определяющим 6 атмосферных осадков. Причем о атмосферных осадков имеет почти функциональную зависимость от среднемесячной температуры приземного -воздуха в районе их выпадения (aj = 0,815). Закономерности сезогаюй и пространственной изменчивости <5 атмосферных осадков являются следствием их температурной зависимости.

Варнапии изотопно-кислородного состава атмосферных осанкой.

Результаты систематических исследований6 iüQ атмосферных осадков, выпадающих на территории Колымской низменности в районе пос.Черский, получены совместно с М.А.Коняхиным. Осредненныв значения 8 атмосферных осадков за период наблюдений с 1981 по 1986 год варьируют в течение года в широких пределах от -16 *■ 1'Кс в иоле-августе до -30 + 312« в декабре-феврале. Сродпевзвошошюо годовое значение 8 атшсфер!шх осадков в районе пос.Черский составляет -23.'«. В целом, сезонные вариации £IÖ0 осадков соответствуют сезонным изменениям температуры

воздуха в районе исследований (рис. I).

Пространственные вариации 8 атмосферных осадков рассматриваются на примере Колымской низмешгости и Енисейского Севера. Согласно схеме глобального распределения изотопов кислорода в атмосферных осадках, составленной Ю.Юртсевером и Д.Р.Гатом (1981), по данным сети станций МАГАТЭ/ВМО, а затем дополненной по территории СССР В.И.Ферронским и В.А.Поляковым (1983), среднегодовые значения <£ осадков составляют соответственно на севере Колымской низменности -19 -20%о, а на Енисейском Севере -16 + -17&>. С учетом особенностей климата двух территорий оценивается вклад атмосферных осадков теплого и холодного периодов года в фор? !рование их среднегодового изотопно-кислородного состава. "

1.2. Изотопно-кислородный состав снежного покрова

Вариации снежного покрова рассматриваются на основании результатов многолетних исследований, проведенных автором на территории Колымской низменности и Енисейского Севера. В пределах исследованных регионов прослеживается широтная закономерность распределения значений 8 снежного покрова, выражающаяся в уменьшении содержшшя изотопов в снеге по мере удаления от арктического побережья в глубь материка, что связано с понижением атмосферной температуры в том же направлении в холодный период года. Ведущим фактором, вызывающим вариации значений снежного покрова до 4-5^» в пределах небольшого по площади района, является ветровая дефляция.

На участках, подверженных воздействию дефляции, установлен белее тяжелый изотопно-кислолзодный состав снежного покрова в сравнении с содержанием в снежной толще в местах аккуму-

ляции свежевыпавшего снега. Результатами повторного опробования снежной толщи в течение холодного периода установлено закономерное изменение о снежного покрова, выражающееся в постепенном снижении содержания с5"1е0 в первую половину зимнего периода, а затем в увеличении концентрации изотопов 0. Устаноа'гешше сезонные вариации д снежного покрова обуславливаются изменениями температуры воздуха, а также диагенезом снега в течение зимнего периода.

1.3. Изотопно-кислородный состав поверхностных и грунтовых вод

Е^'ОУ.,

77 1 ш. 1 /и ' Р ' ¡Г" К/^ ' И*/ ' IX х 1 х/ ' /чССЯцМ

Рис. I . Сезонные изменения изотопно-кислородного состава атмосферных осадков (3 ^0) и температуры воздуха ,нэ севере Колымской низменности (п. Черский) ( - значения 5 (80 осадков по месяцам

{ 6 относительно 2 - среднемесячная температура воздуха

Особое внимание уделено исследованию <?180 речных вод, участвующих в обводнении сезонноталого слоя на поймах. Рассматриваются вариации i^O речных вод Колымской низменности и Енисей- ( ского Севера.

Диапазон вариаций <5180 воды рек Колымской низменности, имеющих преимущественно атмосферное питание, составляет от -16,5&> до -26,5&. На примере р.Амболихи (протока Колнш), за период наблюдений с 1981 по 1987 год, оцениваются сезонные вариации речной воды. Амплитуда вариаций значений ¿180 в речной воде меньше, чем в атмосферных осадках этого района,п составляет около 9%,. Сезонная цикличность содержания ¿180 в речной воде, обусловленная сезонными вариациями атмосферных осадков,

осложняется резким понижением содержания изотопов в период половодья ( ¿>180 = -23,5 + -24,0%с), визвашшм поступлега:ем в реки талых снеговых вод, обедненных тяжелыми изотопа!® кислорода.

Исследование изотопно-кислородного состава вод различных речных систем показало более стабильное содержание ¿>^0 в водах мощных, таких как Колыма и Енисей, транзитных водотоков. Воды малых и средних рек, дренирующих территорию Колымской низменности, относительно обогащены изотопами 1 0 по сравнению с водами р.Колымы.

Рассматриваются вариации содержания в водах других

поверхностных водоемов, также имеющих преимущественное атмосферное питание. Диапазон вариаций <5^80 озерной воды на севере Колымской низменности в летне-осенний период составляет от -12,6 до -20,1&>, <?180 води мочажин варьирует от -16,9 до -23,4:»«. Отмечается значительное обогащение воды изотопами ^80 в результате испарения влаги с поверхности мочажин.

' IIa территории Енисейского Севера (район пос. Усть-Порт) поверхностные воды характеризуются однородным изотопно-кислородным Составом ( ¿180 от -14,7 до -16,7;»), что объясняется единым источником их питания - атмосферными осадками. :

Содержать в грунтовых водах сезонноталого слоя (СТО)

на севере Колымской низменности составило -18,0 -19,4'«, на Енисейском Севере в районе пос. Усть- Порт -15,3 ♦ —То,4io.

1.4. Особенности Формирования изотошю-ююлородного состава грунтовнх под сезонноталого слоя - С учетом материалов, опубликованных в работах Д.Нортрона и Р.Клейтона (1966), КЛуджино и К.Като (1973), Т.Судзуоки и

С.Эгалтейна .(1976), Ф.Майкла и П.Фритца (1980, 1981), Ф.Майкла (IS82), Р.Маккея (1983), Г.М.Фельдмана (1988) и других авторов, проводится анализ факторов, определяющих формирование изотопно-кислородного состава грунтовой влаги СТС к концу теплого периода.

Содержание в грунтовых водах в основном зависит от источников влаги, участвующих в обводнении грунтов СТО. В общем случае обводнение грунтов СТС осуществляется атмосферными осадками теплого периода, влагой, образовавшейся при таянии льдов сезокноталого слоя, в меньшой степени талыми снеговыми, а на поймах также речнши водами. Ведущая роль в обводнении СТС перед промерзанием принадлежит атмосферным осадкам, выпадающим в течение теплого сезона, но, главным образом, в период, предшествующий началу промерзания грунтов СТС. Грунтовые воды СТС, основным источником питания которых служит влага поверхностных водоемов (мелководных озер, болот, мочажин и т.д.), как правило, имеют повышенное содержание тяжелых изотопов Особое положение занимают грунтовые воды СТС, формирующиеся в морских субаквальных и переходных к ним условиях. В атом- случае, вследствие участия в обводнении грунтов СТС изотопно-тяжелых юрских вод, S грунтовой влаги может существенно отличаться от изотопно-кислородного состава верховодки в СТС субаэрального типа.

Оценивается влияние на формирование S грунтовой влаги процессов влагопереноса в талых грунтах (фильтрации, капиллярного и пленочного движения влаги, диффузии пара), а также взаимодействия грунтовой влаги с породой СТС-, в зависимости от гео-лого-геошрфологичоских особенностей исследуемого участка.

lía ооновании проведенного анализа показано, что содержанке íf^O'e грунтовых водах, за исключением вод в СТС субаквального типа, перод началом сезонного протаивания пород в основном определяется изотопно-кислородным составом атмосферных осадков второй половши теплого периода.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИРОДНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВАРИАЦИЙ ИЗОТОПНО-КИСЛОРОДНОГО СОСТАВА ТЕКСТУРООБ-РАЗУНШ ЛЬДОВ СЕЭОННОТАЛОГО СЛОЯ

Состояние проблемы рассматривается с учетом материалов, опубликованных в работах Т.Судзуохи и Т.Каймура (1973), О.Ю.Пар-иузиной (1978, 1979), Э.Д.Ершова (1979), Р.Маккея (1979, 1981, 1983), О.Найма и П.Фритца (X98I, 1982 а,б), Ф.Майкла (1982, 1983), В.К.Ьорозница (1983), М.Смитта и К.Еорна (1987), А.А.Ар-

хангелова и др. (1988), Г.М.Фельдмана (1968) и других авторов.

2.1. Особенности формирования изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов сезогпюталого слоя

<?180 текстурообразующих льдов, образующихся при промерзании СТС, зависит от: а) содержания ¿? 0 в грунтовой влаге перед началом промерзания, б) фракционирования изотопов кислорода в процессе промерзания грунтовой влаги.

Фракционирование изотопов зависит от скорости промерзания грунтовых вод. Чем медленнее происходит промерзание, тем в большей степени образующийся лед обогащается тяжелыми изотопами кислорода. При скорости промерзания выае 2 мм/час фракционирования не наблюдается. Эффект фракционирования изотопов кислорода, проявляющийся в вариациях значений льдов в разрезе СТС, в значительной мере связан с направлением и интенсивностью миграции влаги. В результате фракциишрования изотопов кислорода при одностороннем промерзании пород от 'кровли СТС происходит обогащение изотопами 0 льдов верхней части СТС, а при двустороннем промерзании - льдов кровли и подошвы слоя сезонного протачивания, в то время как льды в средней (иссушенной) части СТС имеют пониженное содержание тяжелых изотопов.

Наблюдения Ф.Майкла и П.Фритца (1981, 1982 а,б) в пределах Северо-Западной Территории Канады, а также наши исследования на Севере Колымской низменности показали, что вариации оодержания

0 льдов, как при двустороннем, так и при одностороннем промерзании СТС, вызванные фракционированием изотопов кислорода, как правило, не превыиают 2,0-3,0^».

В течение холодного периода изотопно-кислородный состав текстурообразующих льдов СТС претерпевает определенные изменения. Существенные изменения содержания ¿^О, проявляющиеся в увеличений содержания изотопов 1 0, отмечаются во льдах приповерхностных горизонтов СТС и связаны с фракционированием изотопов; в процессе морозного иссушения мерзлых грунтов. Максимальные вариации значений S^O льдов в разрезе СТС зафиксированы в конце холодного периода и достигают 6-7,?«.

В весенне-летний период до начала сезонного протаивашш, а также в процессе его, происходит понижение содержания текстурообразующих льдов в верхнем и среднем горизонтах СТС, обусловленное миграцией в мерзлую зону изотопно-легкой влага (преимущественно талых снеговых вод).

Наибольшие изменения содержания S текстурообразующих льдов в течение холодного и весенне-летнего периодов характерны для верхних горизонтов СТО, сложенных тонкодисперсными не- ' уплотненными и малольдистыми грунтами. Содержание S во льдах подошвы СТС более стабильно, так как в меньшей степени подвержено каким-либо трансформациям, вызванным процессами вла-гопереноса в мерзлом и оттаивающем СТС.

2.2. Природные закономерности вариаций изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов сезонноталого слоя

Закономерности вариаций 6 ладов СТС определяются зонально-климатическими i мерзлотно-геологическими и геоморфологическими факторами.

Зонально-климатические вариации <?*80 ладов СТС рассматриваются на межрегиональном и внутрирегиональном уровнях. Закономерные вариации 6 *80 ладов СТС обусловлены зонально-климатическими изменениями изотопно-кислородного состава атмосферных осадков, являющихся основным источником формирования текстурообразующих льдов СТС.

Исследование внутрирегиональных вариаций значений

Л

льдов подошвы СТС проведено на территории Приморской низменности Якутии и арктических островов Восточно-Сибирского моря. По дашшм, приведенным на схеме (рис. 2), значения текстуро-

образующих льдов варьируют от -16,2м. на острове Новая Сибирь до -22,8;« на участке среднего течения р.Ыалый Анюй. Выявленный характер распределения значений <?*80 во льдах СТС соответствует внутрирегиональному изменению содержания изотопов *80 в атмосфорных осадках и поверхностных водах исследуемой территории. Относительной обогащение изотопами *80 льдов СТС на арктических островах и в узкой прибрежной зоне материка объясняется участием в обводнении сезонноталых грунтов изотопно-тяжелых атмосферных осадков, образующихся в теплый период года из водяного пара местного происхождения.

Анализ межрегиональных вариаций изотопно-кислородного состава проводится на основании данных содержания 0 во ладах. СТС территории Колымской низменности (район пос.Черский) и Енисейского Севера (район пос. Усгь-Порт). Ос родненное содержание <5100 во льдах подошвы СТС исследованных районов составило соответственно: -21,5 и -15,2л». Средневзвешенные годовые значения 6 атмосферных осадков двух районов составляют -23,0 и -17,0&>.

J^Gi^W ho»»» Снйир»

-1S.9

о Мал. Ляхмскиы

-17.0

£ч«тырехспл6ою»|

¡г 18

Рис. 2 . Содержание о о в современных текстурооЗрэзукхцих льдах сезоннота/юго слоя сеьеро-ьостона Якутии ( ь У., относительно SHOW).

Следовательно, наблюдаемые вариации значений S 180 льдов СТС имеют климатическую природу. Таким образом, как в пределах одного района, так и на межрегиональном уровне, выявляется общая пространственно- или зонально-климатическая закономерность распределения значений Л в современных текстурообразующих льдах сезонноталого слоя.

Мерзлотно-геологические и геомотДологические вариации.

Исследования текстурообразующих льдов СТС показали, что на фоне зонально-климатических изменений имеют место вари-

ации содержания изотопов вызванные воздействием других

природных факторов.

На основании анализа содержания во льдах подошвы СТС

различных районов Колымской низменности (табл. 1) выявляются наиболее значимые природные факторы, определяющие закономерные вариации значений О льдов СТС. Проведенными исследованиями установлено, что текстурообразующих льдов подошвы СТС

зависит от:

а) геоморфологического положения исследуемого участка -льды низких геоморфологических /ровней (поймы, косы, осушки, днища аласных котловин) обогащены изотопами кислорода 0 по сравнению со льдами участков высоких геоморфологических уровней (приводоразделыше поверхности, надпойменные террасы и их склоны);

б) литологии вмещающих отложений - содержание изотопов кис- . лорода 180, как правило, на I-2&, выше во льдах, вмещаемых органогенными и оторфовашшми отложениями.

Устойчивые вариации текстурообразующюс льдов подошвы

СТС, обусловленные геоморфологическим положением и литологией вмещающих отложений СТС,в большинстве случаев не превышают 3-4$о.

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОТОПНО-КИСЛОРОДНОГО СОСТАВА ТЕКСТУРООБРАЗУЮЩИХ ШОВ ШОГОЛЕТНЕМЕРЭЛЫХ ОТЛОЖЕНИЙ , РАаЧЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ТИПОВ

3.1. Сингенетический тип

ч j

Формирование изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов в условиях сингенетического промерзания отложений рассматривается с учетом материалов, опубликованных A.A.Архангеловым с соавторами, К.Борном и Ф.Майклом, Ю.К.Васильчуком, В.Н.Конмцевым, Ф.Майклом и П.Фритцем, И.К.Морковкиной, А.И.Поповым с соавторами и другими исследователями. " .

^ си о л о р Й га о 1С о С а> л к о о ф Аласные (озерные) котловины н а 1» а ГО О о О О) XI В го- я а; 8 о К ОЁ» Е Ш К О Ф О пТЗ 1 - Вы 0 Т I я 1 Геоморфологическое положение

песчаные супесчано- суглинистые ООО 1 Й8 6 II X но Н С 1 с ш а> супесчано-суглинистые оторфованные песчаные супесчано-суглинистые ! оторфованные песчаные супесчано-суглинистые оторфованные Вмещающие отложения

-13,0 -15,8 -15,1 1 м о 10 -16,6 -18,0 -17,4 Рййбй усЯЬЙ р. Большая Чукочья

-19,2 -20,5 Низовья р. Колымы, о-в Каменка

-18,0 -21,5 -20,6 Ю.-В. часть Халлерчинс-кой тундры

-21,0 -20,6 -22,7 -20,9 1 -20,9 -21,1 -19,7 Р-н поселка Черский

-18,6 -21,8 Р-н поселка Нихнеколымск

-19,1 -20,8: ! -21,3 -21,3 -22,9 Р-н р.Малый Анюй выше пос.Анюйск

-20,0 -21,0 -22,3 Р-н обнажения Дуванный яр" на р. Колыме .

-19,4 -20,9 -20,1 -22,3 -20,7 Р-н поселка Колымское

-22,5 -21,5 -20,4 Р-н фактории Верхние Крос-ты на р. Колыме

-19,8 -13,0 -19,0 -20,4 -19,9 -21,0 Осредненные значения

На основании анализа литературных материалов (Попов, 1967, Попов и др., 1985) и результатов исследования особенностей формирования текстурообразующих льдов подошвы СТО установлено, что изотопно-кислородный состав текстурообразующих льдов при синкриогенезе отложений в основном отражает палеоклиматическую информацию теплого периода года, так как Sобразовавшихся льдов тесно связан с содержанием в атмосферных осадках главным образом летне-осеннего периода. При этом допускается возможность участия изотопно-легкой влаги талых снеговых вод в образовании льдов подошвы СГС и кровли ММП при условиях, благоприятных для проявления процессов влагопереноса.

Оценивается возможность частичной трансформации изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов верхних слоев 1MI, обусловленной процессами перераспределения влаги в мерзлых грунтах. Состояние проблемы рассматривается с учетом'результатов исследований этого вопроса советскими и зарубежными учеными о применением гритме во го метода (Морковкина и др., 1982; Романов и • др., 1986; mtche£ Futr, 1978, 1982; Вигп ап</ /77,сАег t 1988 и др.) и анализа содержания трития в текстурообразующих льдах сезонноталого и покровного слоев "ледового комплекса" отложений, изучавшегося автором.на территории Колымской низменности.

Обнаружено присутствие трития в льдистых отложениях покровно-то слоя, свидетельствующее о том, что текстурообразующие льды содержат в себе некоторую долю современной влаги, проникшей с поверхности в Ш1 благодаря миграции влаги.

Установлена зависимость содержания в текстурообразующих

льдах от генезиса и мерзлотно-фациалышх особенностей осадконакоп-ленил синкриогешшх отложений. Аллювиальные, делювиалько-соли-флюкциошше, воловие, а также мелко водно-озерные и торфяно-болот-ные отложения наиболее перспективны в палеоклиматическом отношении при их исследовании с применением изотопно-кислородного метода, так как S 0 вмещаемых ими текстурообразующих льдов, как правило, сохраняет прямую зависимость от содержания в атмосферных осадках периода накопления этих отложений.

Содержание $ в текстурообразующих льдах, вмещаемых при-б1<е*но-дарскиыи, лайдовыми, а также частично дельтовыми отложениями, в основном определяется изотопно-тяжелыми водами мор— сшго бассейна, состав которых достаточно стабилен и не зависит от изменений климата. Поэтому в палеоклиматическом отношении дан-

ныв толщи осадков мало информативны.

Зависимость вариаций значений льдов от литолого-фаци-

альных особенностей осадконакопления рассматривается по результатам исследований льдистых поШленных отложешй голоценового возраста на территории Колымской низменности, а также по материалам исследований Ю.К.Васильчука (1989) в районе г.Анадырь. Показано, что вариации значений текстурообразующих льдов в зависимости от литолого-фациальных особенностей осадконакопления могут достигать 3,5-3,7&> , а в некоторых случаях и больше.

Анализируется зависимость содержания О в текстурообразующих льдах от особенностей криогенного строения вмещающей толщи отложений. Установлено, что при обильном сегрегационном льдообразовании (атакситовые,- сетчатые, поисковые и другие крупношшровые криотекстуры) наблюдается относительное обогащение льдов тяжелыми изотопами тогда как в случае массивных и мтсрошлировых текстур имеет место уменьшение их содержания.

3.2. Эпигенетический тип

Формировашю изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов в условиях эпигенетического промерзания рассматривается о учетом материалов, опубликованных в работах Р.Маккея, Е.Г.Карпова, а также натур1!ых исследований автора. Проводится анализ факторов, определяющих формирование с^8О льдов в условиях эпигенетического промерзания пород. ( Оценивается влияние фракционирования изотопов кислорода на формирование изотопно-кислородного состава образующихся при эпигенетическом промер-зашш текстурных льдов. Анализируются вариации содержания £ 180 льдов в разрезах эпигенетически мерзлых отложений на территории Енисейского Севера. Установлено закономерное уменьшение содержания тяжелых изотопов *80 вниз по разрезу, вызванное фракционированием изотопов кислорода в процессе промерзания. Поскольку льдообразование в эпикриогашых толщах происходит за счет даровой и связанной влаги литифицированных горных пород, изотопно-кислородный состав льдов, за исключением сама верхшсс горизонтов, не связан прямым образом с климатическими условиями.

Рассматривается некоторая спещф!ка формирования £ льдов в условиях эпигенетического промерзания пород по типу закрытой системы. Во льдах мерзлых пород этого типа отмечается закономерное понпдыше содержания изотопов *80 вниз по разрозу,

которое в сочетании с другими методами позволяет выделять в мерзлых толщах горизонты эпикриогенных отложений.

ГЛАВА 4. ИЗОТОПНО-КИСЛОРОДНЫЙ СОСТАВ ТЕКСТУРООБРАЗУЮЩИХ ЛЬДОВ СИНКГООГЕНШХ ТОЛЩ КОЛЫМСКОЙ НИЗМЕННОСТИ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ПАЛЕОКЛИМАТИШЗСКИХ УСЛОВИЙ И МЕРЗЛОТНО-ФАДИАЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ ИХ НАКОПЛЕНИЯ

Рассматривается зависимость содержания Л в текстурообразующих льдах разрезов синкрлогенных толщ от пале о климат ич е ских условий периода их формирования, генезиса вмещающих отложений, литолого-фациалыюй и мерзлотной обстановки осадконакопления.

За основу стратиграфического расчленения четвертичных отложений данной территории взята схема, утвержденная решениями межведомственного стратиграфического совещания.по четвертичной системе Востока СССР (Магадан, 1987) с некоторыми дополнениями и изменениями, учитываемыми в процессе интерпретации результатов исследований по конкретным опорным разрезам.

4.1. Анализ вариаций изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов в раорезах плейстоценовых отложений

Анализ вариаций проводится по результатам комплексного

изучения синкриогенных тоЛЩ в опорных разрезах Колымской низменности - "Дувашшй яр", "Мыс Чукочий", "Крестовка", "Красивое", "Алешкина заимка". При этом,наряду с материалами автора, используются данные, опубликованные в работах А.А.Архангелова, Ю.К.Ва-сильчука, Т.Н.Каплиной, В.Н.Конищева, М.А.Коняхина, Ю.В.Кузнецова, Г.Э.Розенбаум, С.В.Томирдиаро, А.В.Шера и других исследователей.

Проведенный анализ показал, что текстурообразующие льды синкриогенных плейстоценовых толщ Колымской низменности характеризуются значительно более низким содержанием тяжелых изотопов 0 по сравнению со ладами отложений современного СТС и покровного слон "ледового комплекса" (табл. 2), Низкое содержание ¿180 в опробованных льдах отражает суров;п палсоклиматичес-кую обстановку периода формирования "ледового комплекса" отложений от среднего и до конца позднего плейстоцена включительно.

В течение периода сингенетического иакоплешш льдистых шшИстоценошх толщ климатические условия не были неизменными, а происходившие климатические флюктуации (вромешше потепления климата) проявились в частичной деградации многолетнеыерзлых

Таблица 2

Вариации изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов в разрезах синхриогенных толщ плейстоценовых отложений (содержание О в %<> относительно SMOW )

Обнажение Голоцен Верхний плейстоцен Средний плейстоцен

сезонно-талий слой покровный слой Сартанский горизонт Ыолотковокий горизонт с ш Ойягосский горизонт о2 v ш Древний аласный комплекс отложений С^ш (?)

верхние слои средние слои

Дувашшй яр -22,2 -22,0 .-30,6 -30,3 -23,5 -27,3

Лс Чукочнй -18,0 -20,9 -32,0 -26,3

Крестовка -21,9 -21,1 -28,0 нет данных

Алешина заимка -22,3 -29,7 •

Красивое -23,3 -23,0 -29,0 -23,5

толщ (формирование горизонтов отложений древнего аласного комплекса "Дуванного яра" (табл. 2), а также в накоплении пачек отложений с повышенным содержанием во льдах тяжелых изотопов кислорода (горизонты отложений в толще "Дуванного яра", "молот-ковские"слои в основании разреза "Красивое''^ На фоне климатических вариаций в разрезах синкриогенных толщ плейстоценовых отложений наблюдаются вариации зависящие от генезиса вмещающих отложений, литолого-фациальной и мерзлотной обстановки осадконакопления.

4.2. Анализ вариаций изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов в разрезах голоценовых отложений

то

Анализ вариаций <5 0 проводится по результатам комплексного изучения аллювиальных отложений, а также отложений аласного комплекса на территории Колымской низменности; вскрывающихся в разрезах высотах и низких пойм, надпойменных террас, аласных котловин.

В процессе анализа, наряду с материалами автора и данными, опубликованными в работах А.А.Архангелова с соавторами, Ю.К.Ва-сильчука, Т.Н.Кашшной с соавторами, Ф.Майкла и П.Фритца, A.B. Шера с соавторами, а также и других авторов, используется и фак- ■■ тичоский материал, предоставленный автору Д.А.Гиличинским и С.Ф.Колесниковым.

На основании проведенных исследований установлено, что содержание 5 I80 и текстурообразующих льдах, вмещаемых голоценовыми отложениями различного генетического типа, варьирует в достаточно широких пределах от -18,7 до -22,6^» (табл. 3). Наиболее легким изотопным составом характеризуются льды, вмещаемые отложениями склонового генезиса - склоново-аласными (<У*80 = -22,&°U) и делювиально-солнфлюкциошшш! отложениями покровного слоя пле-дового комплекса" = -21,5'/™). Повышенное содержание тя-

желых изотопов *80 наблюдается во льдах озерно-аласных отложений = -18,7¿¡>) и аллювиальных отложений низких пойменных уровней (iI80 = -19,8^).

Наблюдаемые вариации значений 6 180 во льдах голоценовых отложений, достигающие почти обусловлены спецификой формирования изотопно-кислородного состава льдов при сингенетическом накоплении отложений разного генезиса. Каких-либо существенных колебаний климата на протяжении голоцена по даншм анализа изо-топни-кислородього состава текстурообразующих льдов не выявлено.

Таблица 3

Вариации изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов голоцвновых отложений Колымской низменности (содержание в %о относительно змом )

Генетический тип отложений Осредненное значение Л

Аллювиальные Ала< озерно-аласные лше склоново-аласные Делювиально-солифлюкцион- ные (покровный слой едомы;

Надпойменные террасы -21,0 -18,7 -22,6 -21,5 -20,7

Высокие пойменные уроЕНИ -20", 6

Мизкие по¿кеиные уровни -19,8

Близкое содержание в современных льдах подошвы слоя

сезонного протаивания (-20,4&>) и льдах голоценовых отложений (~20,7%е) свидетельствуют о том, что современный климат территории Колымской низменности не отличается существенным образом от климатической обстановки, имевшей место в период накопления льдосодержащих голоценовых отложений.

ЗШЮЧЕНИЕ

В работе изложены результаты систематических комплексных исследований закономерностей формирования изотопно-кислородного состава современных и древних текстурообразующих льдов в различной природной обстановке и выявлены основные факторы, определяющие вариации изотопно-кислородного состава льдов. Это позволило впервые разработать физические и криолитологические основы интерпретации данных изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов, многолегнемерзлых отложений и на основании массового и систематического анализа вариаций в опробован-

ных льдах обосновать возможности и основные перспективные нап-' равления применения изотопно-кислородного анализа в изучении синкриогенных четвертичных отложений.

Главные из полученных результатов заключаются в следующем:

1. Изототю-кислородннй'состав грунтовой влага GTC перед началом сезонного промерзания в основном определяется осреднен-ным за ряд лет содержанием в летне-осенних атмосферных осадках. Исключение составляет CTG субаквального типа, в котором формирование <5100 грунтовой влаги полностью определяется водами данного водоема, а также СТО прибрежно-морекой зоны, подверженной слиянию морской влаги. .

2. современных текстурообразующих льдов СТО находится в прямой зависимости от осреднекного за ряд лет изотопно-кислородного состава атмосферных осадков, выпадающих на исследуемой территории.

Формирование

текстурообразующих льдов подошвы СТО в основном определяется содержанием' tf^Q в гру товой влаге перед началом промерзания пород.

3. Установленные закономерности вариаций содержания в современных текстурообразующих льдах подошвы СТС связаны с влиянием климатического, геоморфологического и мерзлотно-геологи-ческого факторов.

4. Изотопно-кислородный состав текстурообраэующих льдов син-криогенных толщ зависит от палеоклиматической обстановки формирования различных стратиграфических горизонтов, генезиса вмещающих отложений, а также литолого-фациальных и палеомерзлотннх условий осадконакопления.

5. Вариации S™ О текстурообраэующих льдов в разрезах син-криогенных четвертичных отложений свидетельствуют о крайне суровой обстановке периода накопления толщ "ледового комплекса", на фоне которой происходили климатические флюктуации (периоды потепления климата), нашедшие свое отражение в повышенном содержании изотопов 0 во льдах соответствующих стратиграфичес-1 ких горизонтов.

6. Основными перспективными направлениями применения изотопно-кисло ррдного анализа текстурообразующих льдов в изучении синкриогенных четвертичных отложений являются: изотопно-кислородное стратифицирование мерзлых толщ, восстановле1ше палеокли-

• матичеокой обстановки периода формирования различных стратиграфических горизонтов, уточнение генезиса вмещающих отложений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Криолптогенез аласних отложений (на примере мыса Чукочий), - В кн.: Проблемы криолитологии, IX вып. М.: Изд-во МГУ, 1981, с. 125-138.(совместно с А.А.Архангеловым, Т.П.Кузнецовой, A.B. Льянос-Масом). ■

2. Опыт применения изотопно-кислородного и структурного анализов в стратиграфии сингенетических многолетнемерзлых пород. -В кн.: Четвертичные отложения'Востока СССР. Вып.2. Тезисы докладов. Магадан, 1982, с.9-10. (совместно с А.А.Архангеловым, Ф.Г. Гордиенко, В.В.Роговым).

3. О возможности применения изотопно-кислородного метода-для изучения подземных льдов. - В кн.: ЛИ Всесоюзный тчишиологи-ческий симпозиум. Льды и климат: реконструкция и прогноз. Тезисы докладов. М., 1984, с. 54-55. (совместно с А.А.Архангеловым, Р.А.Вайкмяэ, Е.Г.Карповым, В.И.Соломатиным).

4. О возможности применения изотопно-кислородного метода для изучения подземных льдов. - В кн.: Материалы гляциологических исследований, № 54. М., 1986. с.88-92. (совместно с А.А.Арханги-лозам, Р.А.Вайкмяэ, Е.Г.Карповым, В.И.Соломатиным).

5. Стратиграфическое расчленешю сингенетических июголет-

немерзлых отложений с помощью изотопно-кислородного анализа. -В кн.: Доклады Академии наук СССР, том 290, Л 2, 1986, с. 415417. (совместно с А.А.Архангеловым, Р.А.Вайкмяэ, Я.-М.Пуннигом, В.И.Соломатиным).

6. Проблемы возраста и геоморфологической корреляции сильно льдистых (едомных) толщ северо-востока СССР. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзного совещания по геоморфологической корреляции. Тбилиси, 1986, с. 150. (совместно с А.А.Архангеловым, Г.Г.Карта-шовой).

7. Стратиграфия разрезов многолетнемерзлых пород Колымской низменности изотопно-кислородным методом. - В кн.: Новые данные по геохронологии четвертичного периода. М., Наука, 1987, с. 143149. (совместно с А.А.Архангеловым, Р.А.Вайкмяэ, Я.-М.Пуннигом, В.И.Соломатиным).

8. Изотопно-кислородный состав подземных льдов. - В кн.: Проблемы геокриологии. М., Наука, 1988, с. 152-159. (сошестно с А.А.Архангеловым, Р.А.Вайкмяз, М.А.Кошкиным, В.И.Соломатиным).

9. Изотопные исследования подземных льдов Северо-Востока СССР. - В кн.: Проблемы инженерно-геологических изыскашй в кри-олитозоне. Тезисы докладов научно-практической конференции. Магадан, 1989. с. 105-107. (сошестно с А.А.Архангеловым, М.А.Ко-няхиным, Р.А.Вайкмяэ, В.И.Со'ломатиным).

10. Закономерности формирования изотопно-кислородного состава текстурообразующих льдов. Якутск, (в печати).

тир loo

Зак 22/Т

Типографии Мцнлиспромл СССР