Происхождение деформаций криолитогенных четвертичных отложений Карского региона

Отложения Западной Сибири в процессе формирования претерпевали сложную историю преобразования, подвергаясь разнообразному воздействию многочисленных геологических процессов: трансгрессий и регрессий моря, неотектоники, смене палеогеографических обстановок и режимов седиментации, воздействию ледников (там где имеются надежно диагностированные моренные отложения), неоднократно-повторяющимся процессам промерзания и протаивания. Различные формы геологических явлений (образований), как результат проявления соответствующих процессов, находят свое выражение в особенностях строения отложений в виде деформаций (дислокаций) и текстурных изменений, а также в характерных чертах рельефа и микрорельефа территории.

В области распространение многолетнемерзлых пород существенное влияние на преобразование толщ оказывают криогенные процессы и явления (Мельников, Спесивцев, 2000). Поэтому при изучении деформаций в многолетнемерзлых отложениях, необходимо учитывать возможность их возникновения при проявлении любого из геологических процессов, в том числе сочетания различных процессов во времени и в пространстве (синхронно, последовательно, однократно и повторно, локально и массово и др.). Противоречивые представления исследователей о генезисе деформаций мерзлых отложений Западной Сибири часто основаны на недостаточной изученности морфологии ледяных тел и их взаимоотношений с вмещающими породами. Выявление связи деформированных отложений с криогенными образованиями в разрезах и их изменчивости в пространстве — один из элементов комплексного палеогеографического анализа, необходимый для более точного определения генезиса толщ и уточнения представлений об истории развития региона в целом.

Актуальность. В прибрежной области Карского региона, в отложениях позднего кайнозоя широко распространены деформации первичной слоистости пород. Их происхождение связывают с гляциотектоникой, неотектоникой, с седиментационными и криогенными процессами (Каплянская, Тарноградский, 1982; Данилов, 1983; Баулин, Белопухова, Дубиков, Шмелев, 1967; Шполянская, 1999; Стрелецкая, Каневский, Васильев, 2006; и др.) — В публикациях последних лет о покровном оледенении Карского региона в голоцене и позднем плейстоцене складчато-разрывные деформации в отложениях рассматриваются исключительно как результат динамического воздействия ледника (Гросвальд, 1999; Астахов, 2006; Forman, Ingolfsson, Gataullin, et al., 2002).

С установлением причин возникновения деформаций связано решение проблем определения границ распространения покровных ледников, генезиса отложений, а также оценка интенсивности неотектонических движений в регионе и инженерно-геокриологических условий приморских низменностей. Определение генезиса деформаций толщ, их связи с криогенными образованиями имеет важное значение для уточнения эволюции верхней части криолитозоны и палеогеографической обстановки прибрежных и шельфовых областей Карского региона в четвертичное время (Мельников, Спесивцев, 1995).

Цели работы: установить причины деформаций рыхлых позднеказнозойских отложений на основе их морфологии и связи с криогенными образованиями.

Основные задачи исследований:

1. Проанализировать современное состояние изученности происхождения деформаций четвертичных отложений криолитозоны;

2. Выявить криогенные и палеокриогенныеобразования на ключевых участках приморской равнины Карского региона;

3. Установить связь подземных льдов со складчатыми и разрывными деформациями;

4. Реконструировать последовательность изменений криогенных условий на ключевых участках Карского региона.

Фактический материал. Основой для выполнения работы послужили данные полевых исследований, полученные в 2007;2009 гг. на ключевых участках Карского региона. Детально изучено более 30 разрезов четвертичных отложений в области распространения многолетнемерзлых пород. Полевые работы включали маршрутные работы, детальное описание и опробование береговых обнажений. На камеральном этапе обработаны результаты радиоуглеродного, гидрохимического и изотопного анализов, построены геокриологические разрезы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Складчатые деформации в четвертичных озерно-аллювиальных отложениях обусловлены образованием повторно-инъекционных штоков льда на Западном Ямале.

2. Складчато-разрывные деформации в четвертичных отложениях формируются под воздействием термокарста в ходе деградации верхней части многолетнемерзлых пород, и при последующем промерзании замкнутых таликов в ходе аградации криолитозоны.

3. Складчатость мезои микромасштаба в позднечетвертичных отложениях имеет полигенетический характер и не связана с развитием ледников на изученных участках Карского региона.

Научная новизна работы:

1. Обоснован повторно-инъекционный генезис ледяных штоков и лакколитов и связанных с ними складчатых и разрывных деформаций, впервые установлен их голоценовый возраст.

2. Установлено, что складчатость четвертичных отложений над залежами пластового льда на Югорском п-ве и в ледовом комплексе на о. Сибирякова связана с образованием таликов и их промерзанием.

3. Установлено, что ведущая роль в образовании складчатости мезо— и микромасштаба в четвертичных отложениях Карского региона принадлежит криогенным процессам: морозобойному растрескиванию, инъекционному льдообразованию, термокарсту и вторичному промерзанию таликов.

Научная и практическая значимость работы. Новый фактический материал по деформациям структур отложений, вызванных процессами термокарста и последующим промерзанием замкнутых таликов, вносит вклад в развитие геокриологии и в решение фундаментальных проблем палеогеографии в позднечетвертичное время в Карском регионе.

Для проектирования и размещения объектов нефтегазового комплекса в области распространения многолетнемерзлых пород важнейшими характеристиками инженерно-геологических условий является льдистость верхних горизонтов криолитозоны и воздействие криогенных процессов на геологическую среду. Формирование повторно-инъекционных штоков льда в пределах промерзающих озерно-термокарстовых котловин может происходить в настоящее время, что является осложняющим фактором при хозяйственной деятельности на этих участках. Исследования показали, что отложения осушенных и вторично промерзших термокарстовых котловин, занимающих значительную часть севера Западной Сибири, могут обладать повышенной льдистостью за счет повторно-инъекционных льдов, поэтому требуют дополнительных исследований.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на международных конференциях, проводимых Научным Советом по криологии Земли РАН (Пущино, 2005; Тюмень, 2004, 2006, 2008) — на третьей конференции геокриологов России (Москва, 2005) — международной конференции «Северная Евразия в антропогене: человек, палеотехнологии, геоэкология, этнология и антропология» (Иркутск, 2006) — VI всероссийском совещании по изучению четвертичного периода «Фундаментальные проблемы квартера: итоги изучения и основные направления дальнейших исследований» (Новосибирск, 2009) — на конференции по созданию программы международного полярного десятилетия (Сочи, 2010). Результаты работы по теме отражены в семнадцати научных публикациях.

Краткая характеристика ключевых участков исследований.

Изучение деформаций четвертичных отложений, связанных с криогенными процессами, проведены на ключевых участках Карского региона (рис. 1): на Югорском полуострове (п. Амдерма, ключевые участки «Первая Песчаная» и «Шпиндлер»), Западном Ямале (полярная станция Марре-Сале), на о. Сибирякова в Енисейском заливе, Западном Таймыре (п. Диксон). Эти участки выбраны для исследований, поскольку: они являются типичными для изучаемых районов в целомимеются доступные для ежегодного наблюдения обнажения отступающих морских береговпрактических для всех этих районов накоплены разнообразные геологические и геокриологические данные о возрасте, составе и строении многолетнемерзлых отложений, криогенных образованиях.

70' 72* 74″ .

Рис. 1. Местонахождение ключевых участков исследований в Карском регионе. 1 — зона сплошного распространения многолетнемерзлых пород- 2 — зона островного и прерывистого распространения многолетнемерзлых пород- 3 — зона преимущественно сплошного распространения талых пород (Геокриологическая карта СССР, 1998) — 4 -ключевые участки исследований.

Югорский полуостров.

На Югорском п-ве в 2007 году изучены разрезы четвертичных отложений на ключевых участках «Первая Песчаная» и «Шпиндлер» в 7−10 км и 30 км соответственно восточнее пос. Амдерма (Лейбман, Кизяков, 2007).

Район исследований расположен на побережье Карского моря в пределах полого-холмистой равнины с серией морских террас, ограниченной поперечными останцовыми грядами хребта Пай-Хой. Хребет представляет собой антиклинорий протягивающийся в северо-восточном направлении, по периферии он сложен терригенно-карбонатными породами карбона и перми. Четвертичные отложения представлены морскими и ледниково-морскими песками, супесями, суглинками и песчано-гравийными породами (рис. 2). Район исследований характеризуется сплошным распространением многолетнемерзлых пород мощностью 300−500 м, среднегодовая температура пород -4-М>°С (Региональная криолитология, 1989; Геокриологическая карта, 1991). Климат субарктический, среднегодовая температурой воздуха -7-М?°С, осадков выпадает 300−400 мм в год (Мельников, Спесивцев, 1995). Растительность прибрежной части Югорского полуострова относится к подзоне типичных тундр.

В пределах ключевых участков «Первая Песчаная» и «Шпиндлер» в стенках современных термоцирков вскрываются разрезы четвертичных отложений, вмещающих пластовые и полигонально-жильные льды (Мельников, Спесивцев, 1995; Ванштейн, Лейбман, Пивень, и др. 2002; Leibman, Hubberten, Lein, et al., 2003).

Строение четвертичных отложений на изученных участках определяется палеогеографической обстановкой в этом регионе. В позднечетвертичное и голоценовое время она определялась как климатическими колебаниями, так и неотектоническими изменениями уровня моря (Каплин, Селиванов, 1999; Павлидис, Ионин, Щербаков и др., 1998; Свиточ, 2003).

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Рис. 2. Фрагмент геологической карты плиоцен-четвертичных образований (Государственная геологическая карта РФ, 2000).

С трансгрессией казанцевского палеобассейна связано накопление морских глинистых осадков. По нашим наблюдениям на исследованном участке, глины распространены в береговых уступах до абсолютных высот 212 м, и отмечены на удалении до 0,3 км от побережья на высотах до 25 м. Они перекрыты дельтовыми отложениями («ритмитами»), которые формировались в субаэральной обстановке каргинского времени.

Континентальная обстановка осадконакопления каргинско-сартанских ритмитов на участке «Первая Песчаная» обусловлена неотектоническим блоковым поднятием, проявившимся в выходах коренных пород в основании разреза и на пляже. I.

О накоплении ритмитов в каргинское время свидетельствуют радиоуглеродные даты (40−44 тыс. лет), полученные в лаборатории Аризоны по торфу из образцов верхней части ритмитов, отобранных на ключевом участке Шпиндлер (Lokrantz, Ingolfsson, Forman, 2003). В ходе регрессии осушенные территории являлись ареной накопления гравийно-галечных и песчано-супесчаных континентальных (флювиальных, дельтовых) отложений и их эпигенетического промерзания с формированием залежи пластового льда на границе дельтовых и морских отложений (Стрелецкая, Лейбман, 2002; Leibman, Hubberten, Lein, et al., 2003). Дальнейшая история развития исследуемых участков определяется процессами денудации/термоденудации и аккумуляции в континентальных обстановках, локальными изменениями условий теплообмена, приводящими к активизации процессов термокарста и термоэрозии.

Деформаций четвертичных отложений, включающих залежи пластовых льдов, в прибрежной части Югорского полуострова связывают с седиментационными процессами (Коняхин, Амплеева, Николаев, 1991; Романенко, Белова, Николаев, Олюнина, 2007), с сегрегационным механизмом образования пластовых льдов (Мельников, Спесивцев, 1995; Шполянская, Стрелецкая, 2004), с инъекционным льдообразованием.

Оберман, 1978) и последующим динамометаморфизмом толщ (Лейбман, Васильев, Рогов, Ингольфссон, 2000; Лейбман, Кизяков, 2007).

Западный Ямал.

Изучение деформации четвертичных отложений проводилось в береговых обнажениях Байдарацкой губы на Западном Ямале (см. рис. 1). Ключевой участок расположен между устьями рек Марре-Яха и Нгумъяха, в районе полярной метеостанции Марре-Сале.

В геологическом строении полуострова Ямал выделяют палеозойский складчатый фундамент и пологозалегающие отложения мезо-кайнозойского платформенного чехла. Фундамент образован метаморфизованными алевролитами, аргиллитами, сланцами, доломитами и известняками. Платформенный чехол сложен терригенными породами, представленными глинами, песчаниками, алевролитами (Баулин, Белопухова, Дубиков, и др., 1967; Криосфера нефтеконденсатных., 2006, Государственная геологическая карта РФ, 2000). В пределах района исследований развиты позднечетвертичные морские террасы со слабопологим рельефом (см. рис. 2). Мощность многолетнемерзлых на прибрежных участках достигает 100 м. Температура мерзлых пород в долинах рек и глубоких оврагах составляет -3 °С, на оголенных возвышенностях от -7 °С до -9 °С (Трофимов, Баду, Васильчук и др., 1987).

Район характеризуется суровым климатом, с продолжительной зимой (до 9 месяцев) с постоянными, часто сильными ветрами (5−10 м/с) и короткое прохладное лето. Среднегодовое количество осадков составляет 250−300 мм, из них до 150 мм выпадает в зимний период в виде снега. Среднегодовая температура воздуха в районе м/с Марре-Сале составляет -9 + -7,4 °С (Васильев, Стрелецкая, Черкашев и др., 2006). Растительность представлена мохово-лишайниковой тундрой (Баулин, Белопухова, Дубиков, и др., 1967). et al., На разных высотах обнажений в разные годы вскрыты: нижний пласт слоистого льда, плавно смятый в крупные складки вместе с вмещающими породами (Стрелецкая, Каневский, Васильев, 2006; вышележащие залежи инъекционного льда сложной формы (Кузин, Астафьев, 1975; Крицук, 2001; Слагода, Мельников, Опокина, 2010). Севернее станции* разрез сложен глинами, смятыми в крупные и мелкие складки с разрывными нарушениями и двумя ярусами жил (Каневский, Стрелецкая, Васильев, 2005). выдавливающим надвиговым воздействием шельфового ледника (Каплянская, Тарноградский, 1982), с неотектоническими процессами (Гатауллин, 1990, Стрелецкая, Каневский, Васильев, 2006), с инъекционным льдообразованием, (Кузин, Астафьев, 1975; Крицук, 2001; Стрелецкая, Каневский, Васильев, 2006). В каргинско-сартанских толщах — с образованием повторно-жильных льдов (Кузин, Астафьев, 1975; Каневский, Стрелецкая, Васильев, 2005). О деформациях слоистости сартанских и голоценовых отложений в работах этих исследователей не упоминается.

Западный Таймыр

Ключевой участок «Диксон» находится на северо-западе полуострова Таймыр в 2х км севернее п. Диксон (см. рис. 1.) и приурочен к холмисто-увалистым возвышениям горной системы Бырранга. В геологическом строении принимают участие сложнодислоцированными породами археозойского, протерозойского, палеозойского и мезозойского возраста, во ^ впадинах они перекрыты чехлом четвертичных терригенных отложений.

Геокриология СССР, 1989). Территория характеризуется сплошным распространением многолетнемерзлых пород мощностью до 500−700 м, со среднегодовой температурой -9-^-11° С (Геокриологическая карта, 1991).

Ключевой участок расположен в подзоне арктических тундр с суровыми 1 континентальными климатическими условиями. Среднегодовая температура воздуха в районе исследований составляет -11,1° С, годовая сумма осадков от 450 мм (Стрелецкая, Васильев, 2009). о. Сибирякова.

Остров Сибирякова расположен в южной части шельфа Карского моря в акватории Енисейского залива (см. рис. 1.). Природные условия острова суровы, т.к. он располагается в арктическом климатическом поясе. Растительность о-ва Сибирякова относится к подзоне арктических тундр (Куваев, Кожевникова, Гудошников и др., 1994). Поверхность острова представляет собой равнину с мягким увалистым рельефом, многочисленными долинами рек, термокарстовыми озерами и сухими озерными котловинами. Она сложена рыхлыми многолетнемерзлыми голоцен-четвертичными отложениями с повторно-жильными льдами. Абсолютные высоты в центральной части острова составляют 24−33 м, большая часть острова занята пологими склонами. Морские берега аккумулятивные и термоабразионные не превышают высоты 10 м.

Согласно предшествующим исследованиям острова Карского моря — останцы озерно-аллювиальной равнины существовавшей в конце позднего плейстоцена и в настоящее время разрушенной морем. В ее пределах могут присутствовать выделенные на Гыданском п-ве уровни Ш-П-ой (40 и 20−25 м) и 1-ой (8−10 м) морских и аллювиальных террас, лайды и поймы (Калякин, Романенко, Молочаев др., 2000). Другие считают, что Карское моря в конце неоплейстоцена было покрыто ледниковым щитом (Астахов, 1976).

Строение, возраст отложений и льды о-ва Сибирякова не изучены. В обобщении по подземным льдам на островах Енисейского залива о-в Сибирякова не попал (Романенко, Михалев, Николаев, 2001).

Теоретических представлений о происхождении деформации в четвертичных отложениях в районе Диксона и о. Сибирякова не опубликовано.

На всех изученных участках голоцен-четвертичные отложения различных геоморфологических уровней характеризуются складчатыми и разрывными деформациями, генезис которых остается дискуссионным.

В первой главе подробно рассмотрены существующие представления о возникновении складчатых и разрывных деформаций в области распространения многолетнемерзлых пород.

Вторая глава посвящена характеристике деформаций связанных с возникновением повторно-жильных структур в различных геолого-геоморфологических условиях.

В третьей главе рассматриваются интенсивные складчатые деформации в озерных отложениях, образование которых связано с повторно-инъекционным процессом льдовыделения, обусловленным промерзания замкнутых таликов в последнее похолодание голоцена.

В четвертой главе рассмотрены деформации, вызванные термокарстом, криогенными склоновыми процессами и процессами пучения.

Заключение

.

Получены новые материалы о связи криогенных образований разных типов со складчатыми и складчато-разрывными деформациями современных, голоценовых и верхнеплейстоценовых отложений.

Выполнена типизация криогенных и палеокриогенных образований в четвертичных отложениях на ключевых участках Карского региона.

1. Складчатые деформации небольших размеров в четвертичных отложениях разного генезиса связаны с формированием и ростом сингенетических и эпигенетических повторно-жильных льдов.

2. В результате трехлетнего мониторинга морфологии ледяных залежей на ключевом участке Западного Ямала, впервые установлено, что крупные складчатые деформации в четвертичных озерно-аллювиальных отложениях Карского региона обусловлены образованием повторно-инъекционных штоков льда.

3. Обоснован повторно-инъекционный генезис ледяных штоков и лакколитов, осложняющих верхние залежи пластового льда, и впервые установлен их голоценовый возраст.

4. Впервые в разрезах установлены вторично-промерзшие талики, с образованием которых связана складчатость четвертичных отложений над залежами пластового льда на Югорском п-ве и в ледовом комплексе на о. Сибирякова.

5. Выявлены складчатые деформации разных размеров в четвертичных отложениях Карского региона, которые формировались под воздействием термокарста — ведущего криогенного процесса в ходе деградации верхней части многолетнемерзлых пород, и при последующем промерзании замкнутых таликов в ходе аградации криолитозоны.

Геокриологическими исследованиями разрезов на ключевых участках Карского региона установлено, что ведущая роль в формировании складчатости мезои микромасштаба в четвертичных отложениях разного генезиса принадлежит криогенным процессам и образованиям: морозобойному растрескиванию поверхности, формированию жильных льдов и их последующему вытаиваниюповторно-иньекционному и сегрегационному льдообразованиютермокарстовым процессамобразованию и вторичному промерзанию таликов.

В Карском регионе складчатость, связанная полигонально-жильными льдами, имеет повсеместное распространение и разную интенсивность. На Западном Ямале и Югорском п-ве складчатые деформации вблизи ПЖЛ имеют меньшую интенсивность. С сингенетическими жилами, формировавшимися при средне-зимних палеотемпературах до —18°С, связаны малоамплитудные плавные складки вмещающих озерно-аллювиальных голоценовых отложений. Вблизи эпигенетических жил, образовавшихся при палеотемпературах -24°С, характерно относительно большее смятие, выдавливание вмещающих супесей, песков и глин. На Западном Таймыре и о. Сибирякова распространены интенсивные' складчатые деформации голоценовых прибрежно-морских, озерно-болотных, склоновых и, предположительно, сартанских склоновых отложений, связанных с сингенетическими повторно-жильными льдами. Их формирование обусловлено наиболее суровыми увлажненными климатическими условиями — по изотопным данным средне-зимние палеотемпературы достигали -24°С — -24°С.

В Карском регионе, преимущественно на Западном Ямале, преобладает складчатость отложений, связанная с повторно-инъекционными залежами льда сложных форм. Образование штоков, слоистых лакколитов, складчатых и горизонтальных участков верхней залежи льда сопровождалось разрывами и смятием мерзлых синкриогенных и парасинкриогенных озерно-болотных сартанско-голоценовых отложений в интенсивные складки. Широкое распространение озерных, болотных отложений свидетельствует о существовании обширных таликов в подстилающих прибрежно-морских глинах с водонасыщенными лесками со второй половины сартанского времени, их промерзание происходило во второй половине голоцена.

Складчатые деформации, обусловленные развитием процессов термокарста и вторичным промерзанием таликов характерны для таберированных образований Карского региона. На Югорском п-ве образование складчатых деформаций связано с протаиванием многолетнемерзых морских глин и верхней части залежи льда в период сартанской регрессии и вторичным промерзанием талика с образованием бугра пучения.

На Западном Ямале, в разрезах Марре-Сале установлено, что интенсивные складчатые деформации разных масштабов распространены в казанцевских, каргинских таберированных морских глинах с прослоями песков. Они неравномерно распространены в толщах, связаны с термокарстом и вторичным промерзанием локальных таликов с водонасыщенными линзами песков, которое сопровождалось формированием залежей льда сложной формы в пределах термокарстовых котловин.

Строение и деформации отложений южного берега на о-ва Сибирякова характерны для осушенных термокарстовых котловин, формировавшихся за счет протаивания каргинско-сартанских льдистых отложений, с образованием таберального комплекса с инволюциями. Отложения термокарстовых котловин под осушенными современными озерами характеризуются складчатыми и складчато-разрывными деформациями, связанными с псевдоморфозами по голоценовым жильным льдам и протаявшими буграми пучения.

Выявленные в разрезах связи складчатых деформаций структуры отложений с криогенными образованиями позволили уточнить представления об истории развития Карского региона в позднем плейстоцене — голоцене. Установлено, что мезои микро-складчатость изученных позднеказнозойских отложений имеет полигенетический криогенный характер — складчато-разрывные деформации обусловлены не только развитием криогенных процессов, вызывавших формирование залежеобразующих льдов, но и долговременным протаиванием толщ, их вторичным промерзанием. Изученные деформации не связаны с развитием ледников на изученных участках Карского региона, т.к. в разрезах отсутствуют ледниковые отложения.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. Е. А. Слагоде за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы.

Автор благодарит академика В. П. Мельникова за организацию фундаментальных исследований криолитозоны Арктикид.г.-м.н. A.A. Васильева, д.г.-м.н. М. О. Лейбман, к.г.н. И. Д. Стрелецкую за предоставленные возможности участия в экспедициях, за ценные советы и j материалы. Искренне признательна к.б.н. Н. В. Сорокиной за дружескую поддержку, советы и помощь при проведении полевых и камеральных работ. Автор выражает большую благодарность всем участникам экспедиций за помощь при проведении полевых работ.