книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

Рис. 44. Схема сингенетического промерзания донных осадков. По Е. М. Ка­ тасонову [11].

полнения осадками; в — верхняя Гранина мерзлых пород на разных стадиях запол­ нения водоема осадками; 7 — донные осадки с густой сетью сравнительно мелких ломаных ледяных линз и прослоек; 8 —донные осадки с разреженной сетью (решеткой)

По форме и размерам элементарных ледяных шлиров можно составить самое общее представление о степени увлажнения по­ род при переходе их в мерзлое состояние. Ориентировка ледяных шлиров, повторяя изгибы поверхности мерзлого основания, дает представление о микрорельефе дневной поверхности или о форме таликов.

Важное значение имеет анализ взаимоотношений между сложными и элементарными ледяными включениями. Наличие тонких ледяных прослоек в сочетании с толстыми, густо пронизы­ вающими породу ледяными шлирами свидетельствует об интен­ сивном накоплении осадков, что характерно для солифлюкционных склонов. Крупные ледяные прослойки или четкие пояски в сочетании с мелкими шлирами типичны для (аллювия высокой поймы и делювия, интенсивность накопления которых невелика.

По отношению к элементам первичного строения отложений все криогенные текстуры сегрегационного типа можно разделить

образуются при промервании снизу и с боков глубоких таликов, когда вследствие горного давления и диагенетического уплотне­ ния осадков кристаллы льда с трудом раздвигают частицы мине­ рального скелета. Ледяные шлиры разрастаются преимущественно в направлениях наименьшего сопротивления пород раздвиганию — по плоскостям напластования. Форма и ориентировка их, таким образом, оказываются унаследованными от осадочной слоистости.

а также при переходе в мерзлое состояние нижней части сезонно­ талого слоя, где горное давление невысокое, а отложения мало уплотнены. В этом случае растущие кристаллы льда легко раздви­ гают частицы минерального скелета и ориентируются вдоль фронта промерзания, не считаясь с осадочной слоистостью.

В наиболее глубоко залегающем горизонте таликов, где от­ ложения находятся под высоким давлением и сильно уплотнены, кристаллы льда не в состоянии раздвинуть минеральные частицы. При промерзании таких отложений снизу и с боков лед образуется только в имевшихся до промерзания трещинах и пустотах. Форма, размеры и распределение таких ледяных включений не зависят от условий промерзания, полностью определяясь литогенными факторами. Такие криотекстуры можно назвать литогенными.

Таким образом, в сингенетически промерзавших отложениях различаются четыре горизонта льдообразования:

1)горизонт субаэрально промерзавших отложений с наложен­ ными криогенными текстурами сегрегационного типа (см. рис. 39, 2);

2)горизонт субаквально промерзавших отложений с наложен­ ными криогенными текстурами сегрегационного типа (см. рис. 39, 2);

3)горизонт субаквально промерзавших отложений с унасле­

текстурами (см. рис. 39, 4).

Из изложенного видно, что криогенные текстуры сегрегацион­ ного типа отражают не только условия промерзания, но и условия осадконакопления, и их, как подчеркивал Е. М. Катасонов [9], можно считать важным дополнительным генетическим признаком четвертичных отложений. Особенно ценными для мерзлотно-фа­ циального анализа являются наложенные криогенные текстуры. По ним можно восстановить палеогеографические условия осадко­ накопления и промерзания даже в тех случаях, когда это не удается сделать другими геологическими методами.

В настоящее время наиболее изучены криогенные текстуры сингенетически промерзавших аллювиальных, склоновых и озер­ ных отложений ([9, 10, И , 13] и рис. 45).

В с л у ч а е э п и г е н е т и ч е с к о г о т и п а к р и о ­ л и т о г е н е з а зона мерзлых пород наращивается преимуществен­ но книзу (см. рис. 39). Большинство криогенных текстур образуется в условиях напорной миграции влаги к фронту про­ мерзания за счет подмерзлотных вод. Напорная миграция осу­ ществляется не только в водоносных горизонтах, но и в породах, которые в гидрогеологии принято считать водоупорами.

Нередко все особенности криогенного строения эпигенетически промерзавших толщ объясняются только термодинамическими условиями промерзания. Это неверно. По мере углубления про-

148

Рис. 45. Основные криогенные текстуры сингенетически промерзавших

четвертичных отложений (по Е. М. Катасонову с дополнениями).

К р и о г е н н ы е т е к с т у р ы с у б а э р а л ь н о п р о м е р з а в ш и х о т ­

сильнообводненных среднетаежных делювиальных склонов и субарктических струк- турно-солифлюкционных покровов); 5 — иаклоннослоистая, сетчатая (фации сильно­

обводненных северотаежных делювиальных склонов и субарктических делювиально- структурно-солифлюкционных покровов); 6 — прерывистослоистая, сетчатая (фация субарктических делювиально-солифлюкционных покровов); 7 — резковолнистая,

линзовидная (фация субарктических солифлюкционных террас, потоков и покровов);

К р и о г е н н ы е т е к с т у р ы с у б а к в а л ь н о п р о м е р з а в ш и х о т ­ л о ж е н и й ; и — косолинзовидная (фация старичного аллювия); 12 — кососло­

истая (фация старичного аллювия).

мерзания амплитуды колебания температуры горных пород сгла­ живаются, температурные градиенты становятся незначительными, и в этих условиях решающее значение для льдовыделения приоб­ ретает гидродинамическая обстановка в подстилающих мерзлую зону талых породах.

Промерзание горных пород с льдовыделением сопровождается увеличением их объема. Вследствие этого промерзающие породы оказывают неравномерное по площади давление на подстилающие отложения [4]. Так как возможность уплотнения последних ограничена, то возникающие напряжения разрешаются путем подъ­ ема и деформации мерзлого слоя. Пока зона мерзлых погод мало­ мощная, она деформируется легко, и давление, оказываемое ею на подстилающие талые породы, невелико. Условия миграции влаги остаются еще безнапорными. Как и при сингенетическом типе криолитогенеза, в тонкодисперсных отложениях господствует нленочныхг механизм миграции влаги, и зарождающиеся кристаллы льда сами раздвигают частицы минерального скелета. В песчано- гравийно-галечных слоях вода отжимается от фронта промерзания.

С увеличением мощности мерзлой зоны сопротивление ее де­ формациям возрастает. Соответственно растет давление на талые породы. Тонкодисперсные отложения под давлением уплотняются, часть связанной воды переходит в свободное состояние и отжи­ мается в менее уплотненные участки. Встречая на своем пути тре­

14

щины, пустоты или просто участки менее прочной породы, отжи­ маемая вода образует мелкие инъекции, которые затем замерзают. Часто, следуя от более напряженных участков в менее напряжен­ ные, вода прорывается вдоль контакта формирующихся ледяных линзочек с подстилающими их талыми породами. Так, процессы сегрегации переплетаются с процессами инъекции, а напорный тип миграции влаги становится господствующим. Однако это не исключает действия и обычного, пленочного механизма миграции влаги. Оба механизма миграции действуют одновременно.

В водонасыщенных песчано-гравийно-галечных отложениях излишки свободной воды отжимаются от фронта промерзания до тех пор, пока сохраняется гидравлическая связь промерзающего водоносного слоя со свободными горизонтами. Когда в процессе промерзания эта связь нарушается, гидростатическое давление быстро нарастает и достигает критической величины, при которой начинается льдовыделен не в грубодисперсных отложениях. Чем больше размер частиц минерального скелета, тем выше дол­ жен быть критический напор, при котором начинается льдовыделение. Объясняется это следующим.

По П. А. Шуйскому [1J, кристаллизационная дифференциа­ ция зависит от четырех факторов: величины сил поверхностного натяжения между частицами минерального скелета, водой и кри­ сталлами льда; величины сопротивления минерального скелета расклиниванию; скорости кристаллизации и размеров расклини­ ваемых частиц. Чем больше расклиниваемые частицы, тем выше напряжение на их контактах, тем труднее растущим кристаллам льда их расклинивать и отталкивать. Под влиянием напора воды на некоторых участках фронта промерзания кровля приподнимает­ ся, напряжение на контактах частиц уменьшается, и, главное, ра­ стущим кристаллам льда нет необходимости отталкивать минераль­ ные частицы: они уже приподняты. Так, становится возможным льдовыделение и в грубодисперсных породах — напорная сегре­ гация. Она начинается в прослойках с наименьшей! размерностью частиц в данном слое. При дальнейшем росте ледяной прослойки у их нижнего контакта с породами могут образоваться мелкие инъекции. Таким образом, в горизонте напорной миграции влаги к фронту промерзания инъекции, тесно переплетаясь с сегрега­ цией, становятся важнейшим процессом подземного льдообразо­ вания. По этому признаку криогенные текстуры, образующиеся в горизонте напорной миграции влаги к фронту промерзания, можно отнести к инъекционному типу.

Чем мощнее становится мерзлая толща, тем выше должен быть критический напор подземных вод, необходимый для льдовыделёния. С глубиной критические значения напора достигаются все реже, поэтому льдовыделение постепенно затухает. Лед об­ разуется только при замерзании воды в уже имевшихся трещинах и пустотах и формирует литогенные криотекстуры. В однородных суглинистых отложениях без значительных водоносных горизон­

150

тов процессы льдовыделешш обычно прекращаются на глубине 30—40 м. Однако при промерзании глубокозалегающнх водонос­ ных горизонтов ледяные линзы и прослойки могут образоваться и на большой глубине. Так, в бассейне нижнего течения Енисея

повышенная льднстость суглинков зафиксирована в интервале- 136,6-143,1 м [15].

Таким образом, в эпигенетически промерзавших отложениях различаются три горизонта льдообразования (сверху вниз):

1) горизонт льдообразования в условиях безнапорной миграции влаги к фронту промерзания с криогенными тек турами сегрега­ ционного тина (см. рис. 39, 6)\

2) горизонт льдообразования в условиях напорной миграции влаги к фронту промерзания с криогенными текстурами инъек­ ционного типа (см. рис. 39, 7);

3) горизонт пассивного льдообразования с литогенными крио­ текстурами (см. рис. 39, 8).

Если в промерзавших отложениях несколько глубокозале­ гающнх водоносных горизонтов, то соответственно образуется несколько горизонтов с криогенными текстурами инъекционного типа.

Криогенные текстуры эпигенетически промерзавших отложе­ ний, как сегрегационные, так и инъекционные, существенно от­ личаются от сегрегационных текстур сингенетически промерзав­ ших отложении. В эпигенетически промерзавших отложениях криогенные текстуры сегрегационного типа также могут быть сложными, состоящими из элементарных шлиров и поясков. Пояски отражают сезонные колебания скорости эпигенетического промерзания отложений и соответствуют уровням замедленного перемещения фронта льдообразования. Но в отличие от поясков сингенетически промерзавших отложений в поясках эпигенети­ ческих толщ смерзание ледяных шлиров не происходит. Они только сгущаются, становятся крупнее, но не сливаются друг с другом.

Криогенные текстуры инъекционного типа являются унасле­ дованными образованиями. Размеры и форма текстур зависят от степени обводненности отложений, состава и особенностей оса­ дочной слоистости. Суглинистые толщи содержат мало воды, по­ этому в них процессы льдовыделения ограничены. Образуются редкие, маломощные (от долей миллиметра до нескольких санти­ метров), но достаточно длинные (до нескольких дециметров) ло­ манные разветвленные линзочки льда. В водоносных несчаио- гравийно-галечных отложениях критический напор подземных вод достигается только на конечном этане промерзания замкну­ тых систем. При этом формируются редкие линзы отложении, насыщенных частыми маломощными (от долей миллиметра до нескольких дециметров) ледяными линзочками.

Оптимальные условия для льдообразования создаются на стыке водоносных песчано-гравийно-галечных отложений и суг­ линков. Лед образуется в суглинках, но вода поступает в основном

151

оставшиеся на месте вытаивания текс­ турообразующих льдов. Стенки полостей со временем окисляются, оставшиеся по­ крываются налетом гидроокислов железа и марганца. В условиях засушливого кли­ мата полости заполняются известью и ста­ новятся особенно заметными. Посткрио­ генные текстуры используются при мерз­ лотно-фациальных исследованиях отло­ жений со следами древнего промерзания так же, как криогенные текстуры при изучении современных мерзлых толщ.

Залежеобразующие льды и их псевдо­ морфозы. Среди залежеобразующих льдов наибольшее значение для мерзлотно-фаци­ ального анализа имеют л е д я н ы е ж и ­

виях накопления и промерзания отложе­ ний можно судить только по сингенети­ ческим жилам. Наиболее надежный и лег­ ко наблюдаемый признак сингенетичио- сти—слияние повторно-жильного льда с ле­ дяными прослойками сингенетически про­ мерзавших отложений: [16]. Элементарные ледяные шлиры, из которых формиру­ ются прослойки льда, намерзают также на оплавленную поверхность ледяных жил. После скачкообразног ) повышения поверх­ ности мерзлых пород ледяные жилы также

«вырастают» кверху, а от прежней поверхности их сохраняются только «плечики», спаянные с ледяными прослойками (рис. 491.

Сингенетические ледяные жилы свидетельствуют о том, что вмещающие их отложения накапливались в условиях сурового континентального климата при неглубоком залегании мерзлого субстрата. Большинство современных ледяных жил формируется при глубине протаивания 0,6—0,8 м. Повторно-жильные льды в отложениях, оттаивающих глубже 1 м, как правило, реликтовые. Они образовались в условиях более сурового климата плейстоцена.

В склоновых отложениях ледяные жилы могут служить ин­ дикатором солифлюкционных или оползневых движений. Под влиянием этих процессов жилы в процессе роста становятся асим­ метричными, искривляются и расщепляются (рис. 50).

При вытаивании повторно-жильных льдов и заполнении воз­ никающих вследствие этого полостей минеральным материалом образуются псевдоморфозы по ледяным жилам (рис. 51). Генети­ ческие признаки их охарактеризованы в работе Т. Н. Каплиной

154