Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Криогенез рыхлых отложений полярных областей Земли

ВАК РФ 25.00.31, Гляциология и криология земли

Автореферат диссертации по теме "Криогенез рыхлых отложений полярных областей Земли"

Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова Географический факультет

На правах рукописи

ШМЕЛЁВ ДЕНИС ГЕННАДЬЕВИЧ

КРИОГЕНЕЗ РЫХЛЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЕЙ

ЗЕМЛИ

Специальность 25.00.31 - Гляциология и криология Земли

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

9 СЕН 2015

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор В.В. Рогов

Москва - 2015 005561975

005561975

Работа выполнена на кафедре криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ имени М.ВЛомоносова.

Научный руководитель Рогов Виктор Васильевич

Профессор, доктор географических наук, профессор кафедры криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ имени М. В.Ломоносова

Официальные оппоненты Григорьев Михаил Николаевич

Доктор географических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе Института Мерзлотоведения Земли СО РАН, г. Якутск Слагода Елена Адольфовна

Доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института Криосферы Земли СО РАИ, г. Тюмень

Ведущая организация Институт Географин РАН, г. Москва

Защита состоится "24" сентября 2015 года в 15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.], МГУ, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертации Научной библиотеки Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва. Ломоносовский проспект, 27, А8.

заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1. Ленинские Горы, 1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д-501.001.61, e-mail: malyn2006@yandex.ru, факс +7(495)932-88-36.

Автореферат разослан

201£ года. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах,

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

А.Л. Шпыпарков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью получения фундаментальных знаний о процессах трансформации минерального вещества в полярных регионах Земли. Несмотря на уже имеющееся большое количество литературы, посвященной проблемам состава, свойств и генезиса рыхлых отложений, остается ряд вопросов. Влияние процессов криогенеза на формирование мерзлых пород в различных регионах Земли изучено недостаточно. Применение комплексного криолитологического метода, разработанного на кафедре криолитологин и гляциологии МГУ, позволяет восстановить условия промерзания и накопления отложений в прошлом. Интенсивность процессов криогенеза может быть оценена коэффициентом криогенной контрастности (ККК) (Конищев, 1981, 1999). Этот подход был успешно реализован для отдельных обнажений позднекайнозойских пород Северо-Востока Азии, Европы и Северной Америки (Конищев, 1981, 1999; Конищев и др., 2006, Френч и др., 2009; БсЬууатЬогп еГ а1., 2007). Для получения комплексной картины развития криогенеза необходимо исследование отложений двух полярных районов с наиболее суровыми геокриологическими условиями - северо-восток Якутии и антарктических оазисов. Наибольший интерес представляют отложения, которые формировались в позднем плейстоцене - голоцене- в наиболее холодный отрезок четвертичного времени (здесь и далее хроностратиграфия по Со11еп&й1ЬЬагс1, 2011). Именно на этот период приходится формирование льдистых алевритовых синкриогснных толщ с полигонально-жильными льдами на Северо-Востоке Азии и Аляски — отложений Ледового Комплекса едомного надгорпзонта (далее - ЛК) (Катасонов, 2009; Шер, 1971; Архангелов и др., 1977; Тумской, 2012; Капеувку « а1„ 2011, 2014; БЫгптк^ег е1 а1. 2011).

Объект исследования - мерзлые породы северо-востока Якутии и антарктических оазисов, накапливавшиеся и промерзавшие в позднем плейстоцене - голоцене.

Предмет исследования — влияние криогенеза на формирование состава и свойств мерзлых отложений в различных ландшафтно-мерзлотных условиях.

Цель работы заключается в установлении закономерностей формирования состава и свойства рыхлых отложений Северной и Южной Циркумполярной области под воздействием процессов криогенеза в позднем плейстоцене — голоцене.

Для достижения поставленной цели были поставлены и выполнены следующие задачи:

1. Охарактеризовать современное состояние представлений о криогенном выветривании;

2. Сравнить механизмы криогенного выветривания в зависимости от природных условий для северо-востока Якутии и антарктических оазисов в современное время;

3. Выявить особенности состава и свойства позднечетвертичных отложений ключевых разрезов северо-востока Якутии и оазисов Антарктики с использованием метода криолитологического анализа; оценить роль меняющихся природных условий на степень криогенной трансформации пород;

4. Определить глобальные и региональные особенности развития процессов криогенеза в Северном и Южном полушарии в плейстоцен-голоценовую эпоху на основании ключевых разрезов и с привлечением литературных данных.

Материалы, используемые в работе. Для выполнения работы были использованы фондовые материалы и образцы Северной экспедиции географического факультета МГУ, экспедиции «Берингия» Института физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП) РАН, 57Й-59Й Российской Антарктической Экспедиции (2011-2014 гг.). Лабораторные исследования выполнены на базе Лаборатории Криологии Почв ИФХиБПП РАН, г. Пущино, кафедры криолитологии и гляциологии

географического факультета и кафедры морской литологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Личный вклад автора. В основу работы легли результаты полевых исследований автора в составе экспедиций «Берингия» летом 2010, 2011 и 2013 года на северо-востоке Якутии, а также в составе отряда мерзлотоведения в 58-й и 59-й Российской Антарктической Экспедиции в 2012-14 гг., в ходе которых были посещены оазисы Ларсеманна, Бангера, станция Русская, Ленинградская и остров Кинг-Джордж. В работе так же использованы образцы, отобранные в ходе 57-й Российской Антарктической Экспедиции, обработанные и проанализированные автором. Автором выполнен весь комплекс аналитических работ — подготовка образцов, лабораторные определения и интерпретация результатов анализов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Установлены природно-климатические факторы, определяющие механизмы криогенного выветривания Северной и Южной Циркумполярной области. В оазисах Антарктики это упрощенность структуры ландшафтов, большое количество переходов температуры пород через 0°С, высокая скорость промерзаппя преимущественно снизу и низкая влажность отложений, что определяет условия для интенсивного криогенного выветривания только в верхних 20 см деятельного слоя. На северо-востоке Якутии ландшафтно-почвенные условия обуславливают меньшее количество переходов через 0°С, большую влажность отложений, существование «нулевой завесы» и биохимических процессов в сезонно-талом слое, что как нивелирует, так и усиливает процессы криогенного выветривания в приповерхностной зоне до 10 см и на подошве сезонно-талого слоя (далее -СТС).

2) Выявлены два механизма криогенного разрушения минерального вещества. В отложениях деятельного слоя оазисов Антарктиды выветривание связано с температурно-градиентнымн напряжениями в обломках пород, что приводит к возникновению прямых трещин и накоплению остроугольных

5

частиц с грубыми сколам». На северо-востоке Якутии, выветривание реализуется за счет криогидратационного механизма разрушения частиц льдом в трещинах и полостях газово-жидких включений, что приводит к накоплению преимущественно разрушенных криогенных агрегатов и частиц с кавернами.

3) Доказано, что в позднем плейстоцене и голоцене процессы криогенеза в Северном и Южном полушарии развивалась синхронно. Наиболее благоприятные условия для процессов криогенеза сложились на границе позднего плейстоцена и голоцена, что подтверждается результатами криолитологического анализа изученных отложений северо-востока Якутии и антарктических оазисов.

4) Установлена цикличность криогенной переработки минерального вещества четвертичных отложений оазисов Антарктиды и северо-востока Якутии. Она проявляется в том, что в период формирования пород происходит чередование различных по интенсивности криогенеза периодов, что обусловлено изменениями условий накопления и промерзания пород разного масштаба, таких как изменения климата и уровня моря в разные геологические эпохи, спуск и наполнение термокарстовых и подпруженных озер, межгодовые вариации глубины СТС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Впервые на основании круглогодичных измерений выявлены особенности температурно-влажностного режима СТС рыхлых отложений северо-востока Якутии и антарктических оазисов и установлены связи между механизмами криогенного выветривания и параметрами деятельного слоя;

2) Впервые выполнены определения ККК для отложений оазисов Антарктиды и выявлены морфологические различия обломочных частиц, обусловленные различным механизмом криогенного выветривания. Расширены имеющиеся представления о развитие криогенеза в плейстоцен-голоценовое время на северо-востоке Якутии на основании новых разрезов, для которых ранее не выполнялся расчет значений ККК. Все это позволяет

6

дополнить уже имеющиеся представления об условиях формирования и промерзания пород;

3) Впервые получены данные о динамике мерзлотных условий в позднем плейстоцене и голоцене на основе изменений ККК по разрезам отложений оазисов Ларсеманна и Бангера (Восточная Антарктида);

4) Впервые выявлена синхронная цикличность процессов криогенного выветривания, которая не зависит от генезиса вплейстоцен-голоцеиовых. отложений Северной и Южной полярных областей.

Практическая значимость исследования. Криогенное выветривание негативно сказывается на прочностных свойствах грунтов, ухудшая их как основания для фундаментов. Определение механизмов формирования рыхлых отложений в криолитозоне представляет особую ценность для интерпретации и оценки инженерно-геологических свойств мерзлых грунтов при изысканиях и проектировании. Полученные в работе результаты важны для понимания взаимосвязей внутри природной оболочки, для палеогеографических реконструкций развития криосферы Земли и прогноза. Работа имеет универсальный характер и может быть применена для широкого спектра четвертичных отложений различных генетических типов, встречаемых в полярных областях. Методы определения криогенных признаков дисперсных пород могут быть использованы для определения состава и свойств как природных, так и техногенных объектов при оценке их устойчивости в условиях криолитозоны. Результаты исследований вошли в отчеты по грантам РФФИ 12-05-31125 мола, и 12-05-01085, НШ-1097.2012.5, ПП4.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на различных

научных конференциях: молодежной научной конференции «Ломоносово»,

Москва, 2011 г.; десятой международной конференции по мерзлотоведению в

Салехарде, 2012 г.; международной конференции «The Earth's Cryosphere:

XXI», Пущино, 2013; международном съезде «American Geoscience Union

2014», г. Сан-Франциско; всероссийской конференции «Марковские чтения

7

2015», Москва, 2015 г. Результаты работы представлялись на научных семинарах кафедр крнолитологии и гляциологии, геоморфологии и палеогеографии географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, лаборатории криологии почв ИФХиБПП РАН и в Геологическом институте РАН. Результаты работы были использованы в учебном процессе на кафедре крнолитологии и гляциологии МГУ имени М.В.Ломоносова. Всего по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы (161 наименование). Материал работы изложен на 155 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 33 иллюстрации.

Благодарности Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.г.н. В.В. Рогову за помощь в проведении исследования и написании работы; а также В.Н.Конищеву, В.И. Гребенцу, И.Д. Стрелецкой, Ю.Б. Баду, Е.М. Ривкиной, C.B. Губину, Н.Э. Демидову, О.Г. Заниной, A.B. Лупачеву, A.A. Демидовой, А.Л. Холодову, Е.С. Караевской, Г.Н. Краеву, С.П. Давыдову, М.Ю. Чербуниной за помощь в полевых исследованиях и за консультации на этапе подготовки диссертации. Автор неоднократно использовал фондовые материалы, собранные лабораторией криологии почв ИФХиБПП РАН под руководством Давида Абрамовича Гиличинского, и чтит его память.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, охарактеризована научная новизна, оценена практическая значимость исследования.

Глава 1. Развитие представлений о криогеиезе. В разделе «1.1. Криогенез как один из процессов гипергенеза » излагается история развития представлений о литогенезе в условиях отрицательных температур и постоянных фазовых переходов. Изначально, для полярных

8

областей выделяли только ледовый тип литогенеза, связанный с образованием морен в результате деятельности ледников (Страхов, 1960). Дальнейшее развитие представлений о процессах формирования рыхлых отложений в районах распространения вечной мерзлоты связано с А.И. Поповым (1958, 1960, 1967, 1979), которым было разработано учение о крнолитогенезе как о зональном типе литогенеза. При этом А.И. Попов выделил в рамках криолитогенеза криогенное выветривание - процесс приводящий к преобразованию состава и строения горных пород. И.А. Тютюновым (1960) было введено и обосновано понятие криогенеза как совокупности физического, химического и минералогического преобразования почв и грунтов в условиях фазовых переходах воды вблизи 0°С. Положение криогенеза среди других процессов можно определить на основе понимания академиком А.Е. Ферсманом процессов, происходящих на поверхности земной коры, которые он объединил под понятием гипергенез (Ферсман, 1955,1977). Исходя из этого, криогенез занимает ту часть гипергенных процессов, которая так или иначе связана с образованием н таянием льда в породах.

Идеи о роли криогенеза в специфике литогенеза в холодных областях высказывались и другими исследователями (Шило, 1971; Мазуров, 1970; Данилов, 1971). К концу 70-х годов в криолитологии криогенез стал пониматься как ведущий процесс криогенного выветривания, который приводит к дезинтеграции частиц скелета пород, изменению их строения и свойств и образованию новых минералов (Конищев, 1979, 1981). Дальнейшее развитие представлений о криогенезе связано с выявлением его региональных особенностей и расширением представлений о специфике криогенного выветривания, процессах преобразования вещества при фазовых переходах воды в грунтах, криогенных явлений и связанных с ними мерзлотных формах рельефа (Конищев, Рогов, Фаустова, 1976; Москалевский, 1979; Ершов и др. 1988, Романовский, 1993; Ершов, 2002; Рогов 2009).

В разделе «1.2. Селективное разрушение минералов как основа криолнтологического метода» рассмотрены вопросы, связанные с процессами криогенного выветривания минерального вещества. Экспериментальные исследования позволили выявить основные механизмы селективного разрушения минералов, происходящего при колебаниях температуры около 0°С и фазовых переходах воды в породе (Конищев, 1981; Рогов, 2000; Конищев и др., 2006). Различные минералы имеют разную устойчивость к описанным выше процессам, что может быть представлено следующим образом (от меньшей к большей) (Конищев, 1981): кварц—»пироксены—>амфиболы—»полевые шпаты—»слюды. В результате многократно повторяющихся процессов промерзания-оттаивания в деятельном слое происходит формирование специфического распределения минералов по гранулометрическим фракциям. Степень криогенной трансформации осадка оценивается коэффициентом криогенной контрастности (ККК) (Конищев, 1999): ККККЗ./Р, :0:/Р2,

Где О] и Б]- содержание кварца и полевых шпатов соответственно во фракции 0,05-0,01 мм, СЬ и Р2 - содержание кварца и полевых шпатов соответственно во фракции 0,10-0,05 мм.

Значения ККК > 1 говорят об активном криогенезе в момент накопления осадка, чем больше это значение, тем более суровые мерзлотные условия существовали в период осадконакопления. Значения ККК < 1 свидетельствуют о формировании отложений вне вечной мерзлоты. Этот подход был успешно использован для восстановления палеомерзлотных условий в различных районах Евразии (Конищев, 1999; Конищев и др., 2006; Конищев, 2013; Демидов и др., 2013; 8Ьс\¥атЬогп с1 а1., 2007). Применение этого метода имеет ряд ограничений, обусловленных региональными географическими и геологическими особенностями: 1) отложения изначально не должны подвергаться каким-либо другим процессам выветривания, которые бы привели к разрушению и уменьшению прочности

10

зерен полевых шпатов; 2) в зависимости от региональных особенностей минералообразования, кварц и полевые шпаты имеют разную устойчивость к криогенному выветриванию; 3) при термокарсте, морозном пучении, термоэрозии, склоновых процессах отложения могут повторно оказываться в СТС или же покидать его, почти не подвергнувшись воздействию криогенеза.

Глава 2. Материалы и методы исследований

Рис. I. Схема расположения точек мониторинга (а) и ключевых разрезов (б) в Антарктиде и на северо-востоке Якутии.

В главе приводится описание материалов и методов, примененных в ходе исследования. Образцы мерзлых отложений были отобраны в ходе полевых работ на 5 ключевых участках (рис 1) с помощью колонкового бурения установками У КБ-12/25 и МГБУ-800. Данные о температурном режиме деятельного слоя районов исследований были получены с помощью термических логгеров Hobo, измерения проводились в рамках международных программ CALM и TSP (10 участков). Гранулометрический анализ образцов был выполнен на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц Mastersizer 3000 (всего 170 образцов). Минеральный состав в гранулометрических фракциях 0,1-0,05 мм и 0,05-0,01 мм определялся с помощью рентгенофазового анализа на приборе Дрон-Зм на геологическом факультете МГУ (Шлыков, 1991) (всего 100 образцов). Изучение морфологии частиц скелета фракции 0,25-0,1 мм производилось на электронном микроскопе LEO 1410 и Tesla. Для анализа использовались выборки из 30-60 зерен, для которых определялась степень округлости (по 5 градациям), изометричность и характер деформаций частиц (всего 70 образцов).

11

Разделение тяжелой и легкой фракций минералов производилось на центрифуге с помощью тяжелой жидкости (бромоформ, плотность 2,89 г/см3) (всего 50 образцов). На основании полученных данных был рассчитан коэффициент тяжелой фракции (КТФ) - отношение содержания тяжелой фракции минералов в гранулометрических фракциях 0,05-0,01 мм и 0,10-0,05 мм. Основными расчетными показателями обстановки седиментации отложений и интенсивности криогенеза были ККК и КТФ (Конищев, 1981; Конищев, 1999).

Глава 3. Современные условия развития процессов крногенеза в Северной н Южной Циркумполярной областях

В разделе «3.1. Природные факторы, определяющие развитие процессов криогенного выветривания в районах исследований»

охарактеризованы современные природные условия районов исследований с позиции криогенного выветривания. Изучен температурный режим деятельного слоя, глубина СТС, влажностной режим и почвенные условия отложений. Районы исследований характеризуются суровыми геокриологическими условиями, благоприятными для развития процессов криогенного выветривания: низкие среднегодовые температуры и большие амплитуды в годовом ходе температур на поверхности пород. В антарктических оазисах наиболее благоприятные условия для процессов криогенного выветривай™ складываются в приповерхностном слое (0-20 см). Наблюдается большое количество переходов температуры пород через 0°С, высокие скоростями промерзания деятельного слоя осенью (до 2-ух недель), интенсивное промерзание СТС снизу, малые влажности грунтов, отсутствие теплоизоляционных напочвенных покровов (кроме снега). На северо-востоке Якутии количество переходов температуры пород через 0°С значительно меньше, в нижней части профиля долго может существовать «нулевая завеса», большую роль играют напочвенные покровы. Большие влажности СТС определяют разнообразие криогенного строения, а

биохимические процессы в почве могут, как нивелировать, так и усиливать воздействие криогенеза.

В разделе «3.2. Криогенное преобразование отложений современного деятельного слоя в различных мерзлотно-ландшафтных условиях»

представлены результаты изучения процессов криогенного выветривания отложениях СТС районов исследований. На примере разрезов Колымской низменности (озеро Ахмело, устье р. Омолон, протока Мальчиковская, Дуванный Яр) и антарктических оазисов (оазисы Ларсеманна и Бангера) выполнена оценка влияния ландшафтно-мерзлотных условий на процессы

Рис. 2. Морфология частиц кварца: а - сетка трещин на поверхности, оазис Ларсеманна. б - крупная трещина в частице, Дуванный Яр.

В оазисе Ларсеманна наибольшие значения ККК (1,5) были зафиксированы в

отложениях современных нивальных террас. Для современных осадков пляжей и временных водотоков влияние криогенеза на формирование минерального состава сдерживается переотложением вещества, что приводит к более низкими значениями ККК (0,7 и 1,0) в породах. В оазисе Бангера на современной элювиальной поверхности значения ККК равны 1,1, что свидетельствует о влиянии криогенеза при формировании отложений в современное время, хотя и в меньшей степени, чем в оазисе Ларсеманна. Формируются остроугольные и угловатые минеральные частицы неправильной формы с решеткой трещин (рис. 2а).

На Колымской низменности установлена роль паводков (протока Мальчиковская) и наличие торфо-мохового слоя (устье Омолона) и их влияние на процессы криогенеза. Установлена цикличность в распределении

криогенеза.

значений ККК (от 0,4 до 1,2) в пределах деятельного слоя. В пределах Халлерчинской тундры наиболее высокие значения ККК (до 1,4) характерны для верхней части деятельного слоя, где термический режим породы наиболее благоприятен для развития процессов криогенеза. Частицы скелета грунта сильно агрегированы, их разрушение связано с образованием крупных трещин, каверн и «выколов» (рис. 26). В основании деятельного слоя значения ККК принимают не криогенный характер.

Предложено два механизма криогенного разрушения минерального вещества на основании анализа современных природно-климатических условий в районах исследований. Для оазисов Антарктиды наиболее активно выветривание идет в приповерхностной зоне и связано с возникающими температурно-градиентными напряжениями в частицах при резких изменениях температуры. В результате формируются остроугольные частицы с грубыми и прямыми сколами и трещинами. На северо-востоке Якутии выветривание идет при длительном промерзании СТС, во время которого происходят изменения за счет криогидратационного механизма и разрушения частиц льдом, образующегося в трещинах и полостях газово-жидких включений. Преобладают разрушенные криогенные агрегаты и зерна с кавернами.

Глава 4.Результаты исследований опорных разрезов и скважин

В данной главе дается подробное описание строения, состава и свойств мерзлых плейстоцен-голоценовых отложений оазисов Антарктиды и северо-востока Якутии, изученных в кернах и обнажениях.

В разделе «4.1. Приморские оазисы Антарктиды» проанализированы результаты исследований в оазисах Ларсеманна и Бангера в ходе 57-й - 59-й РАЭ. В оазисе Ларсеманна бурением был вскрыт 15-ти метровый разрез четвертичных отложений (рис. 3): конечная морена, перекрывающая озерно-лагунные отложения возраста МИС-2 - МИС-3 (44-13 тысяч лет назад) с включениями линз подземных льдов. Моренные отложения представлены крупнозернистыми песками с включениями валунов, озерно-лагунные -чередованием прослоев супеси и песка с косой слоистостью и прослоями ледогрунта, с дресвой и щебнем. Значения ККК для моренных отложений составляют в среднем 0,6, они плохо сортированы, преобладают остроугольные и угловатые формы частиц; для озерно-лагунных отложений среднее значение ККК - 1,2, для песков значения выше (до 1,8 в кровли), чем для супесей. Для отложений с высокими значениями ККК характерны более остроугольные и менее округлые частицы, вне зависимости от литологии. Из

низа разреза

(предположительно плиоценового возраста) получено значение ККК — до 3,5, остроугольная форма частиц с множеством сколов и трещин говорит об активном криогенезе. а Ларсеманна.

В оазисе Бангера бурением на северном берегу озера Фигурное была вскрыта толща супесчано-суглинистых отложений озерно-морского происхождения, перекрытых песчано-галечниковой пачкой проллювиально-нивального генезиса. Для супесей и суглинков характерны большие значения ККК (от 0,9 до 2,5); в гранулометрическом составе преобладает глинистая и

Скважина 56

Литология

КШКТФ

0 20 30

«О 60

Скважина 2

Литология

«0 1 0

20 30 20 30

г 40 V . г 4 0

1 ю &0 60 . —г^. го 1 о Ю 60

с 70 £ 70

80 90 Щ 80 0.0

10 0 ''.'У* 10 0

11 0 11 0

ККК

о ю го з.о ^ о

.0.9 ,0.9

I

V

Рис. 3. Результаты исследования строения разреза оази

крупнопылеватая фракция; характерны угловато-округлые формы и агрегаты. В верхней песчано-галечниковой толще значения ККК изменяются в пределе от 0,5 до 2,0; в гранулометрическом составе несколько пиков; преобладают остроугольные и угловатые формы частиц.

В разделе «4.2. Быковский полуостров» подробно рассмотрено обнажение ЛК Мамонтова Хаята. Нижняя часть толщи (МИС-4, 74-45 тысяч лет назад) представлена льдистыми суглинками и супесями с горизонтальной слоистостью, которые накапливались в условиях поймы, средняя (МИС 3,4424 тысяч лет назад) — супесями с массивной криотекстурой, с включениями ледогрунта, торфа и погребенных почв, озерно-болотного генезиса, а верхняя часть (МИС 2, 23-13 тысяч лет назад) - супесями, суглинками и песками с мелкошлировой криотекстурой делювиального происхождения. Для среднего горизонта характерны малые значения ККК (0,4-0,8), он гораздо более дисперсный, чем перекрывающие ее отложения. Форма минеральных частиц округлая, распространены агрегаты. В верхней пачке наблюдается увеличение значений ККК (1,1-1,4), диаметр частиц увеличивается (до 0,18 мм). Преобладают угловато-округлые формы зерен, распространены различные трещины, сколы, разорванные изнутри частицы.

В разделе «4.3. Мыс Чукочий» дано описание разреза отложений ЛК и аласного комплекса (АК). Для верхней пачки коричневых алевритов ЛК среднее значение ККК 1,3. Для таберальных отложений АК получены также высокие значения ККК (от 1,3 до 3,1), а для озерно-болотной пачки выявлена цикличность в изменении ККК от не криогенных (0,5-0,7) до криогенных (до 1,4) значений. Отложения отличаются слабой минералогической сортировкой, по гранулометрическому составу различаются породы со значениями ККК>1 и <1. Для отложений со значениями ККК>1 преобладают угловато-округлые и угловатые частицы со свежими сколами и трещинами. В образцах, отобранных из озерно-болотных отложений, большое количество агрегатов.

I 40 X

с о

ьй

а. 30

0

1 20

7й останец

Д. Д4 (45 м н.у.м.)

Горизонт с ШЯШ0.98 /Л„«8/0.69

I

г <1.74/0.69

Горизонт Ь \ ^

(40 м н.у.м.)

1.09/1.04

6й останец

Т. Д7 (58 м н.у.м.)

о пдазэтЗт^»;041 с

«10.52/1.83 Т, Я8 (50 м н.у.м.) 0.84/ 0.59 »& ,ш. „

»'2.51/0:92 ' *»*' ' *жх

* ««5/ 1.37117,. в.« • ♦ Й.8е/0.82 7- * :Щ»#7/.1:34

ге ;а |" щ

-.1 1.45/187 »' ' : 1 0.86/1.7 0 77/2«

\Т.ДЗ (18 м н.у.м)

в 1.04/1.32

? .

1 о;9В4О11§

Ч — ;

Горизонт а

1.04/1.32 значения ККК/КТФ

Урез р. Колыма

Рис. 4. Результаты исследовании обнажения Дуванный Яр.

В разделе «4.4. Дуванный Яр» представлены результаты полевых исследований автора обнажения ЛК (рис. 4). Выделено два основных типа ЛК - льдистые суглинки с толстыми и редкими ледяными жилами (горизонт а) и суглинки с массивной криотекстурой и тонкими и частыми жилами (горизонт Ь). Верхнюю пачку ЛК перекрывают отложения покровного слоя (ПС) (горизонт с) - суглинки с разнообразной криотекстурой. Максимальные значения ККК приурочены к ПС (до 2,5), в горизонте Ь они изменяются в от 0,7 до 1,7, в горизонте а - от 0,9 до 1,6. В горизонте а около ледяных жил наблюдается лучшая минералогическая сортировка и меньшие значения ККК, в горизонте Ь около жил сортировка так же лучше, но и значения ККК выше. По гранулометрическому составу отложения схожи, пик приходится на пылеватую фракцию. Отложения горизонта Ь отличаются более округлой формой частиц, чем горизонта а и с. В горизонте с широко распространены разрывы вакуолей в виде ямок и каверн на поверхности частиц. Минеральные зерна в горизонте Ь сильно агрегированы, а основные криогенные деформации связаны с трещинами, в горизонте а распространены свежие сколы и разрывы частиц и агрегатов.

Глава 5. Развитие процессов криогенеза в плейстоцен-голоценовое время в Северной и Южной циркумполярной области

В главе анализируются и систематизируются результаты исследований автора, и сопоставляются с уже опубликованными результатами палеореконструкций эволюции криогенеза в Северной и Южной Циркумполярной области в конце плейстоцена - голоцене. Показаны основные глобальные и региональные черты развития криогенеза в полярных регионах Земли.

В разделе «5.1. Прибрежные оазисы Антарктиды» рассматривается история развития оазисов Бангера и Ларсеманна в позднем плейстоцене — голоцене. Эволюция природной среды прибрежных оазисов Антарктиды связана с динамикой системы «океан-ледник». На протяжении рассматриваемого периода прибрежные оазисы закрывались ледником, затапливались морем или существовали в свободном ото льда и моря состоянии. Часть оазисов была свободна ото льда на протяжении МИС 3 — МИС 2 (44-13 тысяч лет назад).

Оазис Ларсеманна в МИС-3 - МИС-2, а возможно и в МИС-5 (130-74 тысяч лет назад) был свободен ото льда (Веркулич и др., 2011; Демидов и др., 2013; Burgess et al., 1994; Hodgson et al., 2001; Verleyen et al„ 2004; Hodgson et al., 2005; Verleyen et al., 2011). Самая нижняя часть изученного разреза (образец с глубины 13,9-14,1 м) может быть отнесена к плиоценовым морским отложениям, которые долгое время существовали по типу криогенного элювия. Накопление вышележащей супесчаной части происходило в условиях высокого моря в МИС-3 (Hodgson et al., 2001, 2009; Verleyen et al., 2011), она промерзала по синкриогенному субаквальному типу (Романовский, 1993). Пачка завершается более грубыми песчаными отложениями, накапливающимися в условиях понижения уровня моря и глобального похолодания в МИС-2. Промерзание песков шло уже по синкриогенному субаэральному типу, увеличивается роль криогенеза. В дальнейшем у водоема прекращается связь с морем, накапливаются супеси, которые наиболее сильно перерабатываются криогенезом. Эта толща

перекрывается ледниковой мореной, чье образование связано с событиями ПЛМ или голоцена (Демидов и др., 2013; Уег1сусп с1 а1., 2011).

Относительно развития оазиса Бангера в плейстоцен-голоцсновую эпоху высказывалось несколько теорий (Большиянов, Веркулич, 1992; Веркулич, 2011а; Уег1еуеп с1 а1., 2011). При бурении была вскрыта супесчано-суглинистая пачка, залегающая в интервале глубин 4,8 - 10,0 м. По данным радиоуглеродного датирования отложений в соседней скважины, окончание накопления этой пачки может быть отнесено к дате 23 тыс. лет (Абрамов и др., 2011). На основании данных гранулометрического состава, морфологии минеральных зерен и малом содержании углерода в породах, можно предположить накопление этой пачки в условиях стоячего водоема покрытого многолетним льдом. Промерзание этой толщи происходило по синкриогенному типу - значения ККК в этой пачке меняются от 0,9 до 2,5, пики могут быть соотнесены с временным обмелением и промерзанием водоема с поверхности. Накопление верхней песчано-галечниковой пачки связано с дегляциацией оазиса в голоцене. Ход кривой значений ККК в верхней паке отражает условий криогенеза в голоцене - более низкие значения можно соотнести с теплыми периодами и спусками подпруженных озер, а более высокие - с похолоданиями (Веркулич, 2011; УсгкиПсИ е! а1., 2002; Уег1еуеп е1 а1., 2011). В целом, значения ККК говорят о более теплых условиях в процессе накопления и промерзания этой толщи, чем для подстилающих суглинков и супесей.

В разделе «5.2. Приморские низменности Якутии» на основании изученных разрезов и имеющихся литературных данных восстанавливаются природные условия в плейстоцен-голоценовую эпоху на северо-востоке Якутии. Эпохи МИС-4—МИС-2 (74-13 тысяч лет назад) характеризуются наиболее благоприятными условиями для развития процессов криогенеза. Арктический шельф был осушен до современной изобаты 100-150 м, распространены тундростепные ландшафты (Шер, 1997), среднсзимние

температуры были на 8-12°С ниже современных (Васильчук и др., 2001; Bush et al., 2004). В этих условиях происходит накопление отложений JIK.

Условия интерстадиала МИС-3 восстанавливаются на основании разрезов Быковского полуострова и Дуванного Яра. Отложения накапливались в условиях низменной равнины, занятых полигональными тундрами с озерами в центре полигонов. Температурный режим был близок к современному на аласных участках.

Отложения второй половины МИС-3, когда начинается направленное похолодание, представлены горизонтом b на Дуванном Яру. Происходит коренная перестройка процессов осадконакопления, связанная с миграцией русла Колымы к современному положению. Наблюдается большой разброс значений ККК (0,7 - 1,7), максимальные значения приурочены к контактам с ледяными жилами. Отложения накапливались в условиях широких участков рек, мелководий и речных плесов. Скорости многолетнего промерзания были достаточно высокие.

Отложения МИС-2 представлены в обнажении Быковского полуострова и на мысу Чукочий. Происходит увеличение суровости геокриологических условий, что выражается в увеличении значений ККК. Летние температуры оставались более высокими, что обеспечивало глубокое протаивание (Каплина, 2009; Губин и др., 2011). Термический режим деятельного слоя схож с современными участками термоденудации ЛК в этом районе.

В начале голоцена происходит формирование отложений ПС, которые перекрывают породы ЛК (Шур, 1988; Каплина, 2009). Минеральные зерна из этого слоя отличаются большим разнообразием форм; по гранулометрическому составу отложения ПС близки к подстилающим отложениям ЛК. Во всех изученных нами обнажениях к ПС относятся наиболее высокие значения ККК.

Начало голоцена сопровождается потеплением и увеличением влажности, что спровоцировало озерный термокарст по полигонально-жильным льдам. Голоценовые отложения АК были подробно изучены на мысу Чукочий.

20

Нижняя часть толщи с наиболее низкими значениями ККК является таберальной пачкой - протаявшие и заново промерзшие отложения ЛК. Повторное промерзание таберальной пачки шло достаточно быстро. Вышележащую пачку можно интерпретировать как непосредственно озерные и озерно-болотные отложения. Значения ККК отражает общие, более теплые мерзлотные условия, характерные для голоцена.

В разделе «5.3. Глобальные н региональные особенности развития крногенеза на границе позднего плейстоцена и голоцена» выполнен анализ реконструкций развития природной оболочки на северо-востоке Якутии и в антарктических оазисах с позиции выявления развития процессов криогенеза и их влияния на формирования состава отложений. Установлено, что в позднем плейстоцене-голоцене процессы криогенеза в Северном и Южном полушарии развивалась синхронно. К концу МИС 2 складываются наиболее благоприятные условия для развития криогенного выветривания за весь четвертичный период, они связаны с событиями последнего ледникового максимума. Во всех изученных разрезах наиболее высокие значения ККК приурочены к отложениям, формирование которых происходило на границе плейстоцена и голоцена.

Рис. 5. Изменение

Оазис Ларсемзнна

Оазис Бамгерз

Дувэнныи Яр

значений ККК в изученных

АЗ /о»

Быковский гьов

_25 разрезах в плейстоцен-голоцене. Условные

обозначения: 1 - фацнальные границы, 2 —

стратиграфические границы.

В четвертичных

отложениях оазисов

Антарктиды и северо-востока Якутии выделена цикличность в

криогенном строении разреза, в степени криогенной переработки материала. Она обусловлена изменениями во времени условий накопления и промерзания пород самого различного уровня: изменения климата и уровня моря в разные геологические эпохи, спуск и наполнение термокарстовых и приледниковых озер, межгодовые вариации глубины сезонного протаивания. Можно говорить о цикличности, как об основной отличительной черте строения отложений полярных областей, обусловленной эволюцией природной среды, выделяются как глобальные циклы, которые просматриваются в отложениях обоих полушариях, так и вложенные в них более мелкие, обусловленные региональными особенностями развития процессов седиментации и криогенеза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) В антарктических оазисах наиболее благоприятные условия для процессов криогенеза складываются в приповерхностном слое, на северо-востоке Якутии появляется дополнительная зона на подошве СТС. В Антарктиде наблюдается большое количество переходов температуры поверхности пород через О °С, большие скорости промерзания СТС осенью, малые влажности. На северо-востоке Якутии количество переходов через О °С значительно меньше, в нижней части профиля достаточно долго может наблюдаться «нулевая завеса», большие влажности предопределяют разнообразие криогенного строения.

2) Предложено два механизма криогенного разрушения минерального вещества, обусловленных различиями в природных условиях. В оазисах Антарктиды выветривание связано с возникающими температурно-градиентными напряжениями в частицах; формируются остроугольные частицы с грубыми и прямыми сколами и трещинами. На северо-востоке Якутии выветривание идет за счет криогидратационного механизма и разрушения частиц льдом в трещинах и полостях газово-жидких включений; преобладают разрушенные криогенные агрегаты и частицы с кавернами.

3) В четвертичный период процессы криогенеза в Северном и Южном полушарии развивались сшгхронно. Наиболее благоприятные условия для процессов криогенеза сложились на границе позднего плейстоцена и голоцена, что подтверждается данными криолитологического анализа изученных отложений северо-востока Якутии и антарктических оазисов.

4) В четвертичных отложениях оазисов Антарктиды и северо-востока Якутии установлена цикличность в степени криогенной переработки материала. Эта цикличность обусловлена изменениями условий накопления и промерзания пород разного масштаба во времени: изменения климата и уровня моря в разные геологические эпохи, спуск и наполнение термокарстовых и подпруженных ледниковых озер, межгодовые вариации глубины сезонного протаивания. Выделяются как глобальные циклы, так и вложенные в них более мелкие, обусловленные региональными особенностями развития процессов седиментации и криогенеза.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах, рекомендованных ВАК:

1. Шмелев, Д.Г., Рогов, В.В., Губин, C.B., Давыдов, С.П. Криолитогенные отложения на правобережье низовий р. Колыма // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2013. № 3. С. 66-72.

2. Демидов, Н.Э., Всркулич, С.Р., Занина, О.В., Караевская, Е.С., Путина, З.В., Рнвкина, Е.М., Шмелев, Д.Г. Конечная морена и озерно-лагунные отложения в разрезе четвертичных отложений Оазиса Холмы Ларссманн, Восточная Антарктида // Проблемы Арктики и Антарктики. 2013. № 3 (97). С. 79-90.

3. Шмелев, Д.Г., Краев, Г.Н., Веремеева, A.A., Ривкина, Е.М. Содержание углерода в мерзлых отложениях Северо-Востока Якутии // Криосфера Земли. 2013. T. XVII. №3. С. 50-59.

4. Шмелев, Д.Г. Роль криогенеза в формировании состава позднечетвертичных мерзлых отложений оазисов Антарктиды и Северо-Востока Якутии // Криосфера Земли, 2015, т. XIX, №1, с. 41-57.

Тезисы и материалы конференций:

1. Shmelev, D.G. Composition of Water-Soluble Salts in Late Cenozoic Deposits, Northeast Yakutia // Tenth International Conference on Permafrost 2012. Vol. 2: p. 395-401;

2. Kraev, G.N., Shmelev, D.G., Vagina, I.M. Statistical Analyses of Genesis Indicators of Late Cenozoic Deposits at the Nort-East of Yakutia // Tenth International Conference on Permafrost 2012. Vol 4/1: p. 291-293;

3. Belova, N.G., Demidov, N.E., Shmelev, D.G. Burried ice from Larsemann Hills oasis (East Antarctica): geological occurrence, properties and genesis.// International conference "Earth Cryology: XXI Century" (September 29 - October

3. 2013, Pushchino, Moscow region, Russia). The Program and Conference materials. P. 58;

4. Shmelev, D.G. The implementation of cryogenic weathering index for paleopermafrost reconstruction by example Late Pleistocene and Holocene deposits of North-East Yakutia // International conference "Earth Cryology: XXI Century" (September 29 - October 3, 2013, Pushchino, Moscow region, Russia). P. 57;

5. Shmelev, D., Veremeeva, A., Kraev, G., Kholodov, A., Rivkina, E. Carbon pool of permafrost in Kolyma-Indigirka lowland // AGU 2014. Abstracts - B410-02;

6. Шмелев, Д.Г., Стрелецкая, И.Д., Рогов, В.В. Криогенез в Северном и Южном полушарии в плейстоцен-голоценовое время // Актуальные проблемы палеогеографии и стратиграфии плейстоцена. Материалы Всероссийской научной конференции «Марковские чтения 2015». Москва, 2015,232-235 с.

Подписано в печать 14.07.2015 г. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат А4/2. Усл. печ. л.1. Заказ № 322. Тираж 100 экз. Типография «КОПИЦЕНТР» 119234, г. Москва, Ломоносовский пр-т, д.20 Тел. 8 (495) 213-88-17 \vww.autoreferatl .ги