Загадка происхождения пластовых льдов

Фото анонса: Белова Н.Г.

В 60-х годах ХХ века в ходе обзорного маршрута вдоль берега моря группа Анадырских мерзлотоведов обнаружила необычный объект. В мёрзлом береговом обрыве, сложенном суглинками и супесями, залегал пласт чистого, относительно прозрачного льда, лишь немного загрязнённого грунтовыми включениями. Этот объект по морфологии и залеганию существенно отличался от уже известных форм грунтового льда: клиновидных структур повторно-жилистных льдов и линзовидных ядер бугров пучения (рис. 1). За характерную форму (значительное превышение длины залежи над её мощностью) объект был назван «пластовым льдом» [5].

Рис. 1. Пластовый лёд в окрестностях села Лаврентия, Чукотский АО. Мощность залежи от 1 до 9 м. Видимая длина – около 100 м. Пластовый лёд вскрыт в термоцирке на южном берегу залива Лаврентия. Фото: Кузякин Л.П., сентябрь 2021. 

 Проблема «пластовых льдов» на сегодняшний день – одна из самых актуальных и острых в криолитологии и геокриологии. Дискуссионными являются практически все вопросы, связанные с этим видом льдов, начиная от определения самого термина «пластовый лёд» и заканчивая его генезисом и палеогеографическим значением [13]. Актуальность исследований «пластовых льдов» связана с их значительным влиянием на природную среду. Даже при небольших изменениях условий теплообмена в природной системе (небольшое увеличение глубины сезонного протаивания), наличие пластовых льдов будет способствовать резкому дополнительному увеличению количества воды в грунте и, как следствие, активному развитию деструктивных криогенных процессов. Как следствие, в районе распространения пластовых льдов возрастает вероятность деформации и разрушения любых инженерных объектов. Во-вторых, мощные ледяные слои существенно снижают несущую способность грунтов, а трудность их обнаружения (без дорогостоящего бурения скважин) существенно увеличивает затраты при инженерно-геологических изысканиях для строительства. Поэтому, основной задачей современных исследований в практическом аспекте является выявление закономерностей распространения и индикационных признаков «пластовых льдов».

Терминология

Существует несколько подходов к определению понятия «пластовый лёд». Первый из них – морфологический. Т.е. пластовым льдом считается массив подземного льда, который удовлетворяет неким морфологическим признакам. Этот подход позволяет обходить вопрос о генезисе льда и учитывает только его форму.

В литературе наиболее часто встречается определение И.Д. Данилова (1990), который определяет пластовые льды как выделенные по форме залегания (горизонтально или наклонно), ледяные скопления линзовидной формы, мощностью от нескольких метров до 30-50 м и протяжённостью от нескольких десятков метров до 1 км. Глубина их залегания варьирует от 3-5 м до первых сотен метров. В англоязычной литературе более популярно определение Дж.Р. Маккея (1971), которое аналогично определению Данилова, с той лишь разницей, что минимальная мощность «пластовых льдов» равна 1 м.

Второй подход можно назвать морфологическо-генетическим, так как эта группа определений подразумевает определённый генезис пластового льда. Одно из самых популярных определений этого типа – определение В.И. Соломатина (2013): «Под пластовыми льдами мы предлагаем понимать крупные залежи подземного льда, имеющие многометровую мощность, десятки и сотни метров по простиранию, характеризующиеся несогласным верхним контактом, часто обильными включениями обломочного материала, вплоть до крупных валунов, широким диапазоном текстурно-структурных характеристик разного масштаба, включая динамометаморфические структуры, ультрапресным химическим составом и низким содержанием тяжелых изотопов кислорода.» Все крупные залежи льда, которые не имеют данного комплекса характеристик, В.И. Соломатин предлагает называть не «пластовыми льдами», а другими терминами.

Рис. 2. Термоцирк диаметром около 150 м, сформированный при вытаивании залежи пластового льда. Расстояние от стенки термоцирка до берега залива – около 120 м. Чукотка. Фото Маслакова А.А, август 2020.

Рис. 3. Термоцирк «Внутренний» в 5 км от пос. Амдерма (Ненецкий АО). Стенка северо-восточной экспозиции высотой 4-5 м (южный борт термоцирка). Фото Нестеровой Н.Б. [1].

Рис. 4. Термоцирк в районе прохождения железной дороги Обская‒Бованенково. Центральный Ямал. На заднем плане мостовой ж/д переход через реку. Фото А.И. Кизякова [2]. 

Однако существует и другой, более научный аспект исследования «пластовых льдов», - вопрос об их генезисе. Понимание механизма формирования пластового льда позволит решить вопрос о закономерностях их распространения, а также поспособствует созданию надёжного метода их индикации. В настоящее время существует более 10 гипотез формирования пластовых залежей [4], что обусловлено несколькими причинами:

1. Разнообразие форм, текстур и условий залегания. «Пластовые льды» обнаружены на различных глубинах: от 1 м (непосредственно под СТС) до нескольких десятков и первых сотен метров от поверхности. Также льды разнообразны по морфологии: от 1-2 до нескольких сотен метров в длину и от 0,5-1 до нескольких десятков метров по мощности. Также разнообразны текстуры льда: слоистая, стекловидная, пузырчатая.

2. Слабая изученность. Несмотря на длительный период исследований и большое количество литературы «пластовые льды» до сих пор исследованы недостаточно подробно. Описано всего несколько сотен обнажений. Встречаемость пластовых льдов также небольшая. Так, на одном из самых известных участков с пластовыми льдами (Бованенково, Ямал) они занимают всего 1-2% площади территории [10]. Иными словами, условия для формирования «пластовых льдов» возникают редко и являются уникальным совпадением факторов.

3. Дискуссия маринистов и гляциалистов о палеогеографии Арктики. Исследователи криолитозоны, в зависимости от своих научных взглядов, подразделяются на гляциалистов (сторонников гипотезы о существовании покровного оледенения в Арктике) и маринистов (отрицающих существование единого покровного оледенения в Арктике). Поэтому, при исследовании «пластовых льдов», гляциалисты, как правило, считают их остатками древнего оледенения, а маринисты – внутригрунтовыми образованиями.

4. Сложность и неоднозначность палеогеографических реконструкций. По мнению большинства исследователей, «пластовые льды» являются «мёртвыми фациями», т.е. не формируются в настоящее время. Но не все согласны с этим утверждением [11], что ограничивает применение метода аналогий. Также интерпретация различных характеристик пластовых залежей (текстура, структура, изотопный и химический состав, состав газовых включений) могут быть объяснены с нескольких точек зрения, проверить которые на практике не представляется возможным. Например, наличие складок в пластовом льду можно объяснить как течением льда в леднике, так и деформацией льда при склоновых процессах, либо формированием льда при подводных оползнях [12]. 
   

Гипотезы формирования «пластовых льдов»

Как уже было сказано выше, все предположения о генезисе «пластовых льдов» можно разделить на 2 группы. Первая подразумевает аллохтонное (погребённое) происхождение пластовых льдов. Погребённым может оказаться ледниковый, наледный, морской, речной, озёрный лёд, или даже снежник. Апологетами гипотезы первично-поверхностного (синоним погребённого) происхождения является ряд крупных исследователей: Г.Ф. Гравис, О.А. Казанский, Ф.А. Каплянская, Е.М. Катасонов, Л.Н. Крицук, И.А. Некрасов, В.И. Соломатин, В.Д. Тарноградский, Н.В. Тумель, В.А. Усов и др. В кратком изложении, погребённые гипотезы предполагают формирование льда на поверхности (суши, озера, моря) и последующее его погребение под обвально-осыпными, морскими, аллювиальными, моренными, флювиогляциальными отложениями. Резкое перекрытие даже метровым слоем отложений уменьшает вероятность протаивания льда и позволяет предположить возможность его консервации в мерзлоте.

Вторая группа гипотез предполагает внутригрунтовое (автохтонное) происхождение залежей. Выделяются несколько механизмов формирования: инъекционный, инъекционно-сегрегационный, сегрегационный, повторно-инъекционный, вакуумно-компресионный. Разработкой механизмов внутригрунтового генезиса занимались: В.В. Баулин, Н.Г. Бобов, Н.А. Вельмина, Б.И. Втюрин, Ш.Ш. Гасанов, С.И. Гапеев, С.Е. Гречищев, Г.И. Дубиков, Т.Н. Жесткова, М.М. Корейша, Л.М. Шмелев, Ю.Л. Шур, Дж.Р. Маккей и др.

Инъекционная гипотеза предполагает формирование пластовых льдов за счёт быстрого замерзания больших объёмов свободной воды в грунте. В чём-то этот механизм схож с механизмом формирования инъекционных бугров пучения.

Сегрегационный механизм предполагает формирование льдов за счёт миграции воды (сверху – путём фильтрации/инфильтрации, или снизу – за счёт «подтягивания» связанной воды к нижней части залежи).

Каждая гипотеза основана на реальных наблюдениях пластовых залежей, имеет свои подтверждения и опровержения. В настоящее время разрабатываются гипотезы гетерогенного формирования пластовых льдов, т.е. за счёт нескольких механизмов [10]. 

Распространение пластовых льдов

Традиционно, основными районами распространения пластовых льдов считаются Чукотка, Западная Сибирь и север Канады (рис. 5,6).

Рис. 5. Распространение пластовых льдов в восточном полушарии. Цветом показаны зоны распространения мёрзлых пород: от тёмного к светлому – сплошная, прерывистая, островная, изолированная [14].

Рис. 6. Распространение пластовых льдов в западном полушарии. Цветом показаны зоны распространения мёрзлых пород: от тёмного к светлому – сплошная, прерывистая, островная, изолированная [14].

Согласно Базе данных по пластовым льдам, наибольшее количество залежей зафиксировано в Западной Сибири, особенно выделяются Центральный Ямал, Югорский берег Байдарацкой губы, Северный Гыдан и устье Енисея. Также широкое распространение пластовые льды получили на Чукотке и в районе дельты Маккензи. Отдельные залежи описаны на Северо-Сибирской низменности, в Северной и Центральной Якутии, на Шпицбергене, Камчатке и Новосибирских островах. 

С пластовыми льдами сталкиваются практически все исследователи криолитозоны: от палеогеографов до инженеров-геокриологов. Будучи очень чувствительными к внешним воздействиям, пластовые льды оказывают большое влияние на природную среду и антропогенные сооружения за счёт активизации деструктивных криогенных процессов. Дискуссия о генезисе пластовых льдов имеет как большое научное, так и прикладное значение, так как понимание механизма формирования залежей льда позволит установить закономерности их распространения и значительно облегчить инженерно-геокриологические изыскания.

Рис. 7. Пластовый лёд в районе Марре-Сале (Западный Ямал, ЯНАО). Длина обнажения – около 50 м, мощность льда – около 4-5 м. Фото: Кузякин Л.П., август 2019.

Автор: Кузякин Л.П.

Список литературы

1. Белова Н.Г., Бабкина Е.А., Дворников Ю.А., Нестерова Н.Б., Хомутов А.В. – Многолетнемёрзлые отложения с пластовыми льдами на побережье Югорского полуострова // Арктика и Антарктика. – 2019. - № 4. – С.74-83.

2. Кизяков А. И., Стрелецкая И.Д., Гребенец В.И., Баду Ю.Б. Активизация опасных природных процессов в районах распространения крупных залежей подземных льдов в условиях меняющегося климата Арктики //Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации. – 2018. – С. 268-272.

3. Белова Н. Г. Пластовые льды юго-западного побережья Карского моря //М.: МАКС Пресс. – 2014.

4. Гасанов Ш. Ш. К проблеме происхождения пластовых залежей подземного льда //Пластовые льды криолитозоны. Якутск, ИМЗ СО АН СССР. – 1982. – С. 3.

5. Втюрин Б. И., Гасанов Ш. Ш. К истории формирования многолетнемерзлых пород Нижне-Анадырской низменности //Труды Ин-та мерзлотоведения им. ВА Обручева АН СССР. М.: Изд-во АН СССР. – 1962. – Т. 18.

6. Соломатин, В. И. Физика и география подземного оледенения : Учебное пособие для вузов / В. И. Соломатин. – Новосибирск : Академическое издательство “Гео”, 2013. – 346 с.

7. Данилов И.Д. Подземные льды. М., Недра, 1990, 140 с.

8. Mackay, J.R. 1971. The origin of massive ice beds in permafrost, Western Arctic coast, Canada. Canadian Journal of Earth Science 8 (4): 397–422.

9. Лейбман М.О., Кизяков А.И. Криогенные оползни Ямала и Югорского полуострова. М., Ин-т криосферы Земли СО РАН, 2007, 206 с.

10. Васильчук Ю.К. Изотопные методы в географии. Часть 2: Геохимия стабильных изотопов пластовых льдов. В 2-х томах. – М.: Издательство Московского университета, 2012. – Том I – 472 c.

11. Гречищев С. Е., Шешин Ю. Б., Гречищева О. В. Моделирование сегрегационного формирования подземных пластовых льдов в различных геологических условиях //Криосфера Земли. – 2000. – Т. 4. – №. 4. – С. 57-66.

12. Шполянская Н. А., Стрелецкая И. Д. Генетические типы пластовых льдов и особенности их распространения в Российской Субарктике //Криосфера Земли. – 2004. – Т. 8. – №. 4. – С. 56-71.

13. Маслаков А. А., Кузякин Л. П., Комова Н. Н. Динамика развития термоцирка, вмещающего залежь пластового льда, вблизи села Лаврентия (Чукотский АО) за 2018-2021гг // Арктика и Антарктика. — 2021. — № 4. — С. 32–46.

14. База данных о пластовых льдах - https://mice.nextgis.com/resource/1/display?base=osm-mapnik&lon=63.3015&lat=69.7654&...