CC BY
28
2003
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА.
Сер. 7. Вып. 3 (№ 23)
КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 624.131.52
В. Г. Зайончек, В. А. Усов
К ВОПРОСУ О ДИАГ.ЕНЕТИЧЕСКОМ ПРОМЕРЗАНИИ ПРИБРЕЖНО-МОРСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ
Если состав грунтов формируется на стадии седиментогенеза, то их физико-механические свойства определяются в процессе постседиментационных, в первую очередь диагенетических, преобразований. Это относится и к многолетпемерзлым породам (ММП), в которых основой инженерно-геологической характеристики является криогенное строение — возникшие при промерзании структурно-текстурные особенности и физические свойства (влажность, плотность, льдистость и др.). Такое представление отражено и в общепринятой генетической классификации, делении на эпикриогенные (промерзшие после накопления всей толщи), синкрио-генные (промерзающие одновременно с осадконакоплением) и парасинкриогенные, субакваль-ные отложения (промерзающие на стадии диагенеза при изменении параметров материнского водоема) [1, 2]. Нами был предложен более определенный термин — «диагенетическое промерзание», также введенный в научный обиход [1, 3 и др.], которым удобней пользоваться при описании морского морфолитогенеза (диакриогенные ММП).
Один из дискуссионных вопросов криолитологии — причина высокой влажности-льди-стости и время формирования крупных ледяных тел в глинистых отложениях заведомо морского генезиса, например в верхпечетверти чных осадках, развитых по всему северу Западно-Сибирской низменности. Принято считать, что ММП возникают в донных отложениях при среднегодовой температуре па поверхности — 10°С на изобатах не более 1,5 м [4]. На таких глубинах глинистые осадки образуются только в лагунах, изолированных от моря полузамкнутыми барами, и в изолированных бухтах. Это относительно маломощные линзы суглинков и глин, подстилаемые песками, обильно обводненными в прибрежной зоне. Схема формирования сильнольдистых грунтов в подобных разрезах была предложена нами в работе [3] и, к сожалению, без ссылки продублирована в статье А. Н. Хименкова [4]. Сводится она к тому, что по мере двустороннего промерзания лагунных отложений со стороны берега и бара из водонасы-щенных песков идет инъекция в лагунные осадки, что и приводит к развитию пластовых льдов или атакситовых криотекстур. Данная схема не вызывает возражений, пока подобного истолкования не требуют разрезы силыюльдистых глинистых грунтов мощностью до 10 м и более, накапливавшихся во внешних или внутренних халистазах — заливах, крупных бухтах и шель-фовых ложбинах. Их глинистые осадки до начала промерзания должны были уплотниться, отжать излишек воды, как это происходит в эпикриогенных ММП, для которых характерно закономерное падение влажности с глубиной. Между тем во множестве разрезов наблюдается обратная картина — увеличение суммарной влажности-льдистости в глубокозалегающих слоях даже по сравнению с поверхностными, современными осадками. Объяснение указанного
© В. Г. Зайончек, В. А. Усов, 2003
явления требует пересмотра процессов диагенетического уплотнения донных отложений на стадии перехода субаквального диагенеза в субазральный.
Под субазральпым диагенезом принято понимать все постседиментациопные изменеиия рыхлых отложений на контакте с атмосферой, но, в отличие от выветривания, при продолжающемся осадконакоплепии [5]. Этот процесс в наиболее чистом виде наблюдается как раз в прибрежной зоне приливных морей, разрез которой представляет собой закономерную смену глинистых субаквальных отложений внутренних халистаз более мелководными и субаэраль-пыми. Подобные разрезы были изучены нами на побережье Белого моря. ММП здесь отсутствуют, зато последовательность изменения физико-механических свойств грунтов на разных стадиях диагенеза выражена особенно наглядно. Наложение многолетнего промерзания на выявленную схему, своего рода мысленный эксперимент, позволил сделать важный вывод о диагенетическом льдонакоплении в морских грунтах.
Разрез приливного берега —ватта — можно разделить на следующие горизонты: 1) субак-вальную «подложку», залегающую в его основании и представленную отложениями обмелевших бухт, проливов или шельфовых западин; 2) субаэральпые осадки собственно ватта, периодически заливаемые в прилив. Прирост их толщи и регулярное обводнение осушки препятствуют обычному выветриванию и почвообразованию, что и составляет особенность субаэраль-ного диагенеза. Следовало бы ожидать, что под его влиянием и под весом накапливающихся осадков «подложка» должна испытывать нормальное уплотнение и дегидратацию глинистых грунтов, т.е. естественная влажность с глубиной должна падать, плотность и прочность — увеличиваться. Проведенные нами исследования обнаруживают другую закономерность: заметное, а иногда скачкообразное повышение естественной влажности с глубиной при переходе от вахтовых к субаквальньш отложениям шельфа. Если в верхних слоях влажность колеблется в пределах 25-35%, то глубже 1,0-1,5 м она растет до 35%, а в некоторых случаях до 40-55%. В этом же направлении почти в два раза уменьшаются и прочность глинистых отложений, сопротивление сдвигу. Указанная закономерность наиболее резко выражена на молодых ваттах и сглаживается на так называемых лайдах или маршах — зарастающих и редко заливаемых приливных равнинах. Однако и на них, вплоть до перехода в стадию польдера, т.е. низкой морской террасы, сохраняется аномальная стратификация грунтов по влажности и плотно-
Объяснение этому следует искать, учитывая интенсивность неотектонических движений в прибрежной зоне, в смене типа и фаци&льных условий диагенеза. Осадки внутренних и внешних халистаз, слабо литифицированные на ранней стадии, в условиях интенсивного неотекто-нического поднятия, достигающего па Белом море нескольких миллиметров в год, оказываются в сфере действия приливов и быстро перекрываются ваттовыми отложениями. Последние подвержены уже субаэральному диагенезу — целому комплексу физико-химических и механических процессов, ведущих к уплотнению и обезвоживанию грунта: 1) обогащению его пылева-той фракцией за счет коагуляции глинистых частиц и разрушения песчапых — так называемого криогидратационного выветривания; 2) объемно-градиентным напряжениям в результате резких колебаний температур, а на уровне агрегатов — давлению ледяного облекающего панциря, уплотняющего ячейки; 3) неравномерному сезонному промерзанию на увлажненных и осушенных участках ватта, что приводит к образованию полузамкнутых тальк объемов и криогенному давлению, дополнительно уплотняющему грунт; 4) ваттовые осадки в зимнее время подвергаются также внешнему, механическому уплотнению со стороны ледяного припая и торосов, под влиянием прилива выдвигающихся на берег с грузом валунов из размытой морены [6 и др.]. Все эти процессы связаны с сезонным промерзанием, т.е. с глубинами не более 1,5-2,0 м. Они, следовательно, не достигают погребенных под ваттовыми субаквальных отложений, и их физические свойства, в первую очередь влажность и структурное сцепление, консервируются на уровне, достигнутом на ранней стадии субаквального диагенеза, на дне более древней шельфовой ложбины. А, как показывают многочисленные исследования, влажность глинистых морских осадков1 этой верхней зоны литификации колеблется в пределах 35-70%. В таком состоянии они и фиксируются, консервируются под маломощной толщей
ваттовых осадков — «коркой». (Термин предложен исследователями морских террас в Карелии, обнаружившими в них сходные структуры.)
Таким образом, можно считать, что в условиях быстро поднимающегося приливного берега в его разрезе сохраняются погребенные слои субаквальных отложений, затронутых лишь начальным диагенезом и обладающих поэтому повышенной влажностью, близкой к пределу текучести. Перекрытые позднейшими отложениями и изолированные от уплотняющего воздействия субаэрального диагенеза, они образуют своеобразные чаши диагенетической консервации — структуры, широко распространенные в прибрежной полосе гляциального шельфа, частью которого является арктический. Процессы обмеления побережий Карского моря, а в более раннее время — казанцевского и санчуговского (салехардская свита па севере Западно-Сибирской низменности) существенно не отличались от современной ситуации па беломорском шельфе, и в их разрезах формировались те же «чаши» с захороненными переувлажненными слоями суглинков и глип. В данном состоянии они подвергались многолетнему промерзанию по мере обмеления, регрессии санчуговско-казанцевского моря. Результатом таких процессов явились описанные нами ММП морского происхождения на Енисейском Севере, которые в свете высказанной гипотезы могут рассматриваться как диакриогенные. Однако само это понятие нуждается в серьезном уточнении.
Типичный разрез верхпеплейстоценовых отложений, слагающих водоразделы Оби и Енисея, представляет собой трехслойную толщу морских и озерно-болотпых фаций. В основании залегают осадки шельфовых ложбин, сложенные глинистыми пачками мощностью в десятки метров, по простиранию редко переходящими в пески. Они перекрываются прибрежно-морскими осадками, среди которых преобладают лагунные, дельтовые и фации волнового поля. Выше лежат маломощные отложения приливных равнин и возникшие па них озерно-болотные голоценовые комплексы. Описанный разрез отражает процесс быстрого обмеления морского бассейна, а палеоклиматические исследования, в том числе криолитологические, свидетельствуют о непрерывном присутствии ММП на его берегах и мелководье [7, 8]. Но если криогенное строение лагунных и ваттовых отложений интерпретировано однозначно, то время и генетический тип промерзания осадков более глубоких внутренних и внешних халистаз вызывают разногласия. Многие авторы относят их к эпикриогенным, т. е. промерзшим в условиях континента, а высокую льдистость склонны объяснять миграцией связанной воды, неправомерно расширяя область ее действия.
По нашим данным, частично опубликованным ранее [3, 8], криогенное строение этих отложений характеризуется резко изменчивой, высокой влажностью-льдистостью, колеблющейся по глубине от 35 до 70% и более, причем слои с повышенной льдистостыо залегают непосредственно под пестрыми прибрежио-морскими осадками и достигают мощности в несколько десятков метров. В них преобладает решетчатая криогенная текстура, реже — слоистая, но неизменно толстошлировая, что свидетельствует о медленном промерзании в условиях повышенного горного давления. Тип промерзания действительно близок к эпигенетическому, по льдистость типична для диакриогенного. Особо следует отметить, что в большинстве опробованных скважин песчаные осадки если и вскрыты, то на глубинах, значительно превышающих возможности пленочной миграции связанной воды. Между ними и силыюльдистыми горизонтами обычно залегает толща суглинков и глин повышенной плотности и малой влажности (не более 20%). Единственное объяснение такого распределения влажности заключается в том, что верхняя часть осадков шельфовых ложбин промерзала в том физическом состоянии, когда ранняя стадия субаквального диагенеза не перешла в более позднюю, прервавшись и законсервировавшись в процессе быстрого захоронения прибрежными отложениями.
Сопоставление приведенных материалов позволяет сделать ряд выводов, имеющих значение для палеогеографических реконструкций в области арктического шельфа.
1. В условиях быстрых неотектонических поднятий приливных и лагунных берегов глинистые осадки внутренних и внешних халистаз, перекрываясь мелководными, длительное время сохраняют физическое состояние, характерное для верхней зоны литификации, в том числе влажность, близкую к максимальной влагоемкости (до 50-70%). Не затронутые процессами
субаэрального диагенеза, они образуют своеобразные структуры — чаши диагенетической консервации глубиной от нескольких метров до десятков метров.
2. Их многолетнее промерзание при малых градиентах температур приводит к формированию толстошлировых решетчатых или слоистых криогенных текстур при более высокой влажности-льдистости, чем это свойственно эпикриогенным ММП.
3. Неравномерное обмеление и, следовательно, промерзание прибрежпой зоны являются дополнительным, но не обязательным условием фиксации высокой влажности в этих осадках. Хотя их промерзание наступает в условиях обмеления, существенно отличающихся от условий материнского водоема, их следует относить к диакриогенным ММП —особому генетическому типу, отличному от парасин- и эпикриогенных.
4. Для диакриогенных ММП характерны не только повышенная льдистость, нередко более высокая, чем у вышележащих прибрежных отложений, но и пониженная прочность при оттаивании, склонность к переходу в плывунное состояние. Учитывая широкое распространение этих структур в прибрежной зоне гляциальных шельфов, последний вывод имеет и прикладное инженерно-геологическое значение.
Summary
Zayonchek V. G., Usov К A. On diagenetic freezing of coastal-shelf deposits. Subaqual marine loam deposits covered with tidelite retain high moisture content, which corresponds to the first stage of diagenesis. After freezing they have high ice content and form special diacriogenic type of Permafrost.
Литература
1. Общее мерзлотоведение / Под ред. В.А.Кудрявцева. М., 1978. 2. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М., 1990. 3. Усов В. А. Криогенное строение и особенности формирования многолетнемерзлых отложений лагунного берега // Мерзлотные исследования / Под ред. В.А.Кудрявцева. М., 1967. 4. Хименков А. Н. Формирование пластовых залежей подземных льдов в прибрежно-морских осадках // Мерзлые породы и криогенные процессы / Под ред. Г. И. Дубикова. М., 1991. 5. Шанцер Е.В. Очерки учения о генетических типах континентальных осадочных образований. М., 1966. 6. Зайончек В. Г., Ошарина Ю. А., Усов В. А. Ватт как инженерно-геологическая система // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 1999. Вып. 1 (№ 7). 7. Геокриология СССР. Т. Западная Сибирь / Под ред. Э.Д.Ершова. М., 1989. 8. Усов В. А. Формирование многолетнемерзлых отложений в период бореальной трансгрессии на территории арктической части Енисейского Севера / Вестн. Ленингр. ун-та. 1967. № 24.
Статья поступила в редакцию 15 марта 2003 г.
