Fluid dynamic geosystems in the permafrost. Part 1. Cryohydrodynamic geosystems

Khimenkov Aleksandr Nikolaevich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Ulanskii Proezd, 13, stroenie 2 a_khimenkov@mail.ru Other publications by this author     Vlasov Aleksandr Nikolaevich Doctor of Technical Science Director, Institute of Applied Mechanics of the Russian Academy of Sciences 125 040, Russia, Moscow, Leningradskii Prospekt Street 7 iam@iam.ras.ru Other publications by this author     Sergeev Dmitrii Olegovich PhD in Geology and Mineralogy Head of the Laboratory of Geocryology, Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moscow, Ulanskii Pereulok Street 13, building #2 cryo2@yandex.ru Other publications by this author     Volkov-Bogorodskii Dmitrii Borisovich PhD in Physics and Mathematics Senior Scientific Associate, Institute of Applied Mechanics of the Russian Academy of Sciences 125 040, Russia, Moscow, Leningradskii Prospekt Street 7 iam@iam.ras.ru Other publications by this author

Stanilovskaya Yuliya Viktorovna Permafrost Infrastructure Interaction Specialist, Total 101000, Russia, Moscow, Ulanskii Pereulok Street 13 e-mailyulia.stanilovskaya@total.com Other publications by this author

ФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕОСИСТЕМЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ.

1 ЧАСТЬ

Криогидродинамические геосистемы.

ВВЕДЕНИЕ

В геокриологии сложилась парадоксальная ситуация. Существует определённый тип мёрзлых пород, хорошо известный и изученный специалистами, но остающийся до сих пор генетически не определенным. Этот тип включает в себя мерзлотные образования со следами динамических процессов. В общем объёме мерзлых пород они занимают незначительное место, но распространены в породах всех возрастов и всех генетических типов. Несмотря на разнообразие проявлений, классификация внутригрунтовых льдов и ледогрунтов со следами различного рода деформаций не разработана. Терминологическая неопределённость, существующая в настоящее время, не позволяет провести какую либо систематизацию данных образований, Фактически все они разделены на две группы ледниковые (докриогенные) и инъекционные (криогенные). Чётких критериев разделения этих групп не существует. Очевидно, что в них объединены разные по генезису криогенные образования. Состояние проблемы фактически остаётся таким же, как в пятидесятые годы прошлого века. Ещё в 1988г. В. Т. Трофимов и Ю. К. Васильчук отмечали трудности в криогенетической индикации мёрзлых толщ, в случае сведения их к принятым в геокриологии типам ^[1]. Они справедливо указывали на необходимость введения новой терминологии и отмечали, что, несмотря на некоторое усложнение, это необходимо сделать «сейчас», то есть в 1988 г. Следует констатировать, что в обновлении понятийного аппарата, а, следовательно, и в понимании проблемы, изменений так и не произошло. В предлагаемой статье авторы в качестве основы для анализа условий формирования мерзлых пород и льдов со следами пластических деформаций и течения используют представления о возможности возникновения в промерзающих и многолетнемёрзлых породах локальных потоков вещества в жидком, твёрдом и газообразном виде. В первой части статьи будет показано влияние изменений, происходящих в промерзающих толщах морских осадков, на перераспределение водных потоков внутригрунтовых вод и, как следствие на структурно-текстурные особенности формирующихся криогенных образований. В качестве объекта исследования был выбран разрез морских отложений в районе оз. Ней-То (Центральный Ямал). На данном участке выявлены одни из крупнейших известных криогенных образований, генетическая принадлежность которых вызывает острые дискуссии.

ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ПОРОДАХ В ЖИДКОМ, ТВЁРДОМ И ГАЗООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ

Инъекционные льды

(Перераспределение жидкости в промерзающих и мёрзлых породах)

Группа флюидов, рассматриваемая в 1 части статьи, связана с перераспределением водных растворов, проникающих в мёрзлые породы или содержащихся в них. Криогенные образования, связанные с этими процессами объединены в группу инъекционных льдов. Инъекционные льды объединяют различны по морфологии и строению ледяные и ледогрунтовые тела от шлиров льда толщиной в несколько миллиметров до линз, лакколитов, штоков размером в десятки метров. Часто лед в пластах и штоках имеет следы деформаций, смят в складки, иногда характеризуется вертикальной слоистостью ^[2]. К тому же типу ледяных образований (инъекционным) обычно относятся и криотекстуры, связанные с разрывом породы и впрыскиванием в них воды.

Проявления инъекционных процессов

Согласно определению, данному П. А Шумским, инъекционные льды являются продуктом замерзания внедряющейся под напором свободной воды или массы разжиженного грунта ^[3]. Таким образом, формированию инъекционных льдов предшествует локальное увеличение давления в водоносном горизонте до значений, превышающих сопротивление вмещающей породы. После этого происходит гидроразрыв, то есть нарушение целостности горной породы, в результате которого образуются или полости заполненные водой, или серия ветвящихся трещин. Величина давления гидроразрыва обычно составляет 70−110 % величины геостатического давления ^[4]. Рассмотрим причины, обуславливающие формирование потоков грунтовых вод и проявление гидроразрывов в промерзающих и мёрзлых породах. При замерзании воды происходит увеличение её объёма, что определяет формирование криогенного напора, который выражается в возникновении повышенного давления в водоносных горизонтах, всегда сопутствующего промерзанию горных пород. Неравномерность промерзания, определяемая неоднородностями поверхностных условий и разнообразием вещественного состава горных пород, вызывает гидростатический или гидродинамический напор в различных участках потока подземных вод. Под влиянием криогенного напора поток движется в сторону наименьшего сопротивления и вода скапливается в благоприятных местах ^[2]. Криогенный напор определяет перемещение потоков грунтовых вод, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Роль перераспределения грунтовых вод в результате криогенного напора весьма велика. Ещё 1937 году М.И. Сумгин отмечал, что при формировании сезонных бугров пучения, вода, которая сосредотачивается под растущим бугром, может поступать со значительного расстояния со стороны, а не с глубины ^[5].

Потоки грунтовых вод перемещающихся под воздействием криогенного напора характерны не только для сезонномёрзлых пород. Я. Н. Неизвестным выявлено выдавливание минерализованных грунтовых вод с температурой- -4,8°С из под промерзающих островов ^{[6, 7]}.

Особенно ярко проявляется действие криогенного напора при развитии многолетних гидролакколитов в условиях всестороннего промерзания подозёрных таликов. В этом случае, в основании растущего многолетнего бугра, в результате гидроразрыва формируется линза воды, которая промерзает образуя ледяной слой и постоянно пополняется за счёт криогенного напора. Н. Т. Толстихиным приводятся данные о наличие в основании бугра пучения линзы воды мощностью до 3 м и шириной около 400 м ^[8]. Для Северной Америки наличие линз воды в основании растущих бугров пучения показано в работах Д. Росс Маккея ^[9]. Линзы мощностью 1 – 2 м и шириной от 30 до 300 м имеют площади водосбора шириной от 70 до 700 м. Судя по приведенным автором данным, давление в водяной линзе (по высоте столба воды) составляет около 25 атм ^{[9, 10]}.

Напорные воды встречаются не только в промерзающих, но и в многолетнемёрзлых породах. В криопэгах на лайде Байдарацкой губы на глубине ниже 5 метров встречены водоносные горизонты, в которых напор достигал 10м, хотя в верхнем двух-трехметровом горизонте воды были безнапорными (температура грунтов составляла от -4,8 до -5,6°С) ^[11]. Для криопэгов Западного Ямала (Харасавейское ГКМ) отмечаются напоры до 30 м, для центрального Ямала (Бованенковское ГКМ) до 120 м ^[12].

Парагенетический комплекс инъекционных криогенных образований оз. Ней-То, на п-ве Ямал

В отношении формирования гидролакколитов данный вопрос был ранее подробно рассмотрен ^{[13, 14]}. В данной публикации проиллюстрируем это на примере разреза мерзлых морских отложений, включающей парагенетически связанных между собой сетчатых инъекционных криотекстур, пластовых залежей конжеляционного льда и ледогрунтовых слоистых образования в районе оз. Ней-То, на п-ве Ямал ^[15].

Здесь в береговом разрезе водораздельной салехардской равнины, на глубине около 20 - 25 метров залегают пластовые льды мощностью 10-15 м и, видимой протяжённостью в несколько десятков метров. Они перекрываются 20 метровой суглинистой толщей с сетчатыми криотекстурами, на контакте льдистых суглинков и пластовых льдов прослеживается слой песка толщиной 1-10 см (рис. 1). По составу солей водной вытяжки, вещественному составу осадков текстурным особенностям и фаунистическим определениям, глинистая толща уверенно идентифицируется как морская ^[16].

На отдельных участках встречаются ледогрунтовые слоистые образования со следами интенсивных динамических процессов (рис. 1), которые деформируют пластовые льды и перекрывающие их льдистые суглинки ^{[15, 17]}.

Рис. 1. Парагенетический комплекс, включающий пластовые льды (1), перекрытые глинами с сетчатыми криотекстурами (2) и ледогрунтовые слоистые тела (3), рассекающие пластовые льды и деформирующий, глины (оз. Ней То п-ов Ямал). Фото А. Н.Хименкова.

Изучение строения и морфологии перечисленных криогенных образований показало, что и сетчатые криотекстуры, и пластовые льды, и зоны слоистых ледогрунтов со следами динамических процессов можно увязать с инъекционным льдообразованием. Рассмотрим имеющиеся материалы по эти трем группам криогенных образований.

Сетчатые криотекстуры

Непосредственно над пластом льда наблюдаются сетчатые криотекстуры, преобладающим структурным элементом в которых являются вертикальные шлиры, отстоящие друг от друга на расстоянии 30 – 40 см (рис. 1, 4, 7). Толщина вертикальных шлиров плавно меняется от 4 - 5 см в нижней части, до 0,5-1 см в верхней (4 - 5 м над пластом). Длина горизонтальных шлиров толщиной 0,5-3 см соответствует расстоянию между вертикальными. Льдистость суглинков с сетчатыми текстурами меняется от 50 % в нижней части (около пластовой залежи), до 27% в ее средней части и несколько повышается к верху. Протяженность зоны вертикальных шлиров около 10 м.

Изучение структуры текстурообразующих льдов показало, что вертикальные шлиры имеют сложное строение. В них выделяется 2-3 зоны кристаллов, отличающихся размерами, ориентировкой и морфологией (рис. 2, 3).

Рис.2. Ориентация плоскостей вертикальных шлиров, в которых проводилось морфометрические исследования ^[15].

Рис.3. Морфометрические показатели структуры льда вертикальных шлиров в сетчатых криотекстурах над пластовой залежью (Ямал, оз. Ней-то): 1-глина; 2-пластовый лёд ^[15].

К границам раздела различных генераций кристаллов приурочены грунтовые включения, в виде вытянутых в вертикальном направлении изгибающихся лент и струй (рис. 4, 5, 6). В кристаллах наблюдаются зоны дробления, неравномерное содержание примесей, выклинивание одних и появление других генераций кристаллов, при этом размеры кристаллов, и их морфология меняются.

Рис. 4. Ледогрунтовый шток, прорывающий пластовую залежь и деформирующий глину с сетчатыми криотекстурами. Фото. Ю. Б. Баду.

Рис.5 Фрагменты вертикальных инъекционных шлиров, изображённых на рис. 4. К их осевым швам приурочены вытянутые грунтовые включения. Фото. Ю. Б. Баду.

Достройка вертикальных шлиров продолжается и после начала формирования пластовой залежи. Был изучен участок однородной пластовой залежи, рассеченной узкой зоной инородного льда с многочисленными трещинами, к которым были приурочены линзочки песка. Ширина зоны составляла 20 – 30 см, она под острым углом подходит к границе раздела пластовой залежи и перекрывающих суглинков. В месте контакта слой песка, отделявший массив льда от грунтовой толщи, был разрушен. Непосредственно в этом месте наблюдалось утолщение вертикального шлира, а в его строении выделяется зона мелких кристаллов, выклинивающаяся на расстоянии 2,5 м. В этой зоне кристаллы вытянуты перпендикулярно плоскости шлиров. В центральной части наблюдается четкий осевой шов, что свидетельствует об интенсивном двухстороннем промерзании (рис. 6) ^[18].

Рис. 6. Достройка вертикальных шлиров в сетчатых текстурах на контакте с ледогрунтовым штоком, изображённым на рис. 4 ^[15]: а) строение вертикального шлира со следами инъекционной достройки; б) изменение площади кристаллов в вертикальном шлире; I – зона крупных кристаллов вертикального шлира; II – зона мелких кристаллов с осевым швом и следами двустороннего промерзания. 1 – лёд пластовой залежи; 2 – трещины во льду пластовой залежи; 3 – линзочки песка; 4 – песчаный слой на контакте пластового льда и перекрывающей глинистой толщи.

Строение вертикальных вытянутых шлиров свидетельствует об активных динамических процессах при их формировании, связанных с многократными инъекциями. Судя по количеству различных генераций кристаллов, наблюдалось до 3 серий инъекционных процессов формирования сетчатых криотекстур над пластовыми залежами.

Пластовые льды

Выходы пластовых льдов в береговых обнажениях оз. Ней-То имеют видимые горизонтальные раз в десятки, а иногда и первые сотни метров (рис. 1, 7). Их мощность доходит до 20 м ^[16].

Рис. 7. Криогенное строение берегового обрыва в северо-западной части оз. Ней-То (центральный Ямал). 1 – пластовый лёд 2 – ледогрунтовое образование рассекающее пласт льда. Фото А. Н. Хименкова.

Лёд преимущественно чистый, монолитный, без минеральных включений линейный размер кристаллов здесь может достигать десятков сантиметров. Иногда встречаются участки с повышенным содержанием газовых включений, здесь лёд имеет молочно белый цвет, а размер кристаллов не превышает 2-3 см. Объём кристаллов значительно колеблется: в прозрачном льде разброс составляет 10-800 см³, а в молочном - 5-20 см³. Структура льда, в целом, аллотриоморфнозернистая и гипидиоморфнозернистая, ориентировка оптических осей слабо выражена. Наблюдается общее уменьшение размеров кристаллов льда с глубиной ^[15].

Полученные при изучении пластовых льдов в районе оз. Ней-То результаты близки к данным о строении ледяных линз льда в основании инъекционных бугров пучения, сформированных при промерзании слоя воды. Ш.Ш. Гасанов, описывая условия формирования инъекционных бугров пучения, отмечает, что между подошвой ледяного тела и подстилающими породами всегда сохраняется слой воды под гидростатическим напором. При промерзании данного слоя формируется прозрачный крупнозернистый лёд, что соответствует условиям медленной кристаллизации воды. Лед обычно чистый, прозрачный, содержит автогенные воздушные включения, располагающиеся неравномерно. Структура льда аллотриоморфнозернистая, с изометричными неправильными зёрнами. В чистом льде поперечник кристаллов достигает 10-20 см, а в пузырьчатых слоях лёд равномернозернистый с поперечником зерна 3-5 см ^[19]. Аналогичные критерии строения инъекционных льдов находим у Б.И. Втюрина. Он, в частности отмечает, что при промерзании свободного объёма воды на некоторой глубине от поверхности формируется чистый лёд с неравномерным распределением газовых примесей. При медленном промерзании слоя воды размеры кристаллов льда могут достигать нескольких десятков сантиметров в поперечнике ^[20].

Строение пластовых льдов в районе оз. Ней-То свидетельствует о том, что они формировались при аналогичных условиях. То есть данные льды можно отнести к типичным конжеляционным внутригрунтовым льдам ^[3].

Зона слоистых ледогрунтов со следами динамических процессов

Третьим структурным элементом криогенного строения разреза морских отложений оз. Ней-То являются слоистые ледогрунтовые образования, со следами течения ^[15] (рис. 1, 4, 7, 8).

Их горизонтальные размеры незначительны по отношению к размерам пластовых льдов и составляют от нескольких десятков сантиметров до 2- 3 м. Данные образования рассекают пластовые льды и деформируют перекрывающие их глины с сетчатыми текстурами (рис. 1, 4). Все они имеют слоистое строение за счёт чередования прослоев чистого льда и ледогрунта (рис. 4, 8).

Рис. 8. Строение ледогрунтового штока ^[21]. Фото. Г.И. Дубикова.

Толщина слоёв колеблется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Минеральные включения представлены перетёртыми грунтовыми агрегатами размером 2-5 мм. Структура льда характеризуется неоднородностью размеров кристаллов (от 1-2 мм до 10-15 см и более), извилистостью границ. Внутри слоистых зон встречаются отдельные глыбы льда изометричной формы размером до нескольких десятков сантиметров в поперечнике. Они резко отличаются по своему строению от вмещающей слоистой породы. Структурные исследования показали, что лед данных ледяных включений аналогичен льду пластовых залежей.

В местах контакта с кровлей пластовых льдов слоистые ледогрунтовые образования деформируют первичную слоистость глин. В этом месте формируется небольшое куполообразный изгиб слоистости. Выше по разрезу наклон слоёв уменьшается. В зоне деформации первичное строение глин может быть деформировано или полностью разрушено (рис. 4).

Граница слоистых ледогрунтовых зон с пластовыми льдами всегда резкая (рис. 1, 4). Здесь наблюдаются многочисленные трещины и сколы. В пластовых льдах по контакту с ледогрунтовыми зонами наблюдается увеличение размеров кристаллов. Если ледогрунтовая зона пересекает участок «молочного» льда, то на контакте характер распределения воздушных включений резко меняется. Их количество уменьшается, размеры увеличиваются в десятки раз (от 1-3 мм до 30-50 мм). Они приобретают вытянутую, искривлённую форму.

Рассмотренные материалы о строении слоистых ледогрунтовых образований свидетельствует о том, что их формирование было связано с локальным разрушением пластовых льдов и внедрением по зонам разрушения водонасыщенной текучей грунтовой массы, с включениями ледогрунтового материала из разрушенных мёрзлых пород и льдов. Деформации и частичному разрушению подверглись не только пластовые льды, но и перекрывающие их глины с сетчатыми криотекстурами. Первопричиной формирования слоистых ледогрунтовых тел является локальный криогенный напор, сформировавшийся при неравномерном промерзании водонасыщенной толщи морских осадков.

История развития комплекса криогенных образований. связанных с инъекционными напорными процессами в районе оз. Ней-То

Обобщая результаты исследования морфологии ледяных образований и их структуры, можно вполне определенно проследить историю развития парагенетического комплекса криогенных образований изученного в береговых обнажениях оз. Ней-То комплекса мёрзлых пород. Более подробное описание проведено в ранее опубликованных работах ^{[15, 17, 18, 22]}. Кратко рассмотрим основные этапы. Промерзание, выходящих из-под уровня моря морских осадков, происходит на фоне значительной неоднородности поверхностных условий. В лагунах и в отчленившихся опреснённых озёрах продолжается субаквальное осадконакопление при положительных или близких к 0°С отрицательных температурах. На окружающих водоёмы участках в это время начинается интенсивное промерзание. Глубокое проникновение мёрзлой зоны на одних участках и отсутствие мерзлоты на других приводит к формированию криогенного напора и горизонтальному перераспределению грунтовых вод. Под глинистыми толщами с малой фильтрационной способностью грунтовые воды оказываются запечатанными. Горизонтальный криогенный напор и невозможность отжатия вверх приводит к повышению давления в водоносном горизонте.

В соответствии с известным соотношением Бриджмена – Таммона, устанавливающим связь между температурой замерзания воды в условиях невозможности ее бокового расширения и величиной внешнего давления, уже при температуре -0,01°С это давление составляет 2,27 кг/см², а при -0,1°С - 13,7 кг/см². При таких небольших отрицательных температурах, засоленные породы еще не обладают значительной прочностью и практически не отличаются от талых. Пластическая прочность талых морских глин при естественном уплотнении до 0.14 кг/см² на глубинах 0 – 4 м, и 0,48 кг/см² на глубинах 4 – 8 м ^[23]. На глубинах свыше 20 м эти показатели несколько больше. Таким образом, незначительное увеличение криогенного напора приведет к деформации толщи глин и развитию инъекционных процессов. Вертикальные разрывы являются наиболее выраженными деформациями, они служат каналами, по которым транспортируется внедряющаяся вода. Строение вертикальных шлиров свидетельствует, что вода подавалась отдельными порциями. Нами обнаружено до трех генераций кристаллов льда в одном вертикальном шлире. Скалывающие боковые нагрузки приводили к развитию горизонтальных трещин, так же заполняющихся водой. В результате промерзания образовавшейся системы трещин формируются наблюдаемые сетчатые криотекстуры ^[15].

Формирование инъекционных криотекстур приводит к значительному упрочнению глин. Степень уплотнения глинистых грунтов при формировании инъекционных криотекстур показывают материалы исследования Г.И. Дубикова, проведенные в районе оз. Ней-То (п-в Ямал) ^[24]. Здесь для засоленных льдистых глин, перекрывающих пластовую залежь, наблюдается резкое возрастание значений предела прочности при одноосном сжатии (испытания проводились в талом состоянии). На глубинах 12–17 м значения предела прочности составляли 7.2–7.8 кг/см², а на глубине 24 м, в слое контактирующем с пластовой залежью - 20.3 кг/см². Консистенция глин в этом интервале переходит от полутвердой в твердую. Плотность скелета возрастает от 1.53 г/см³ на глубине 12 м, до 1.83 г/ см³ на глубине 24 м ^[24].

Продолжение промерзания и, соответственно, криогенного напора, приводит к серии инъекций и достройке ледяных шлиров. При этом происходит увеличение прочности глин до значений, при которых дальнейшее увеличение напора уже не формирует вертикальные разрывы, а приводит к образованию горизонтальной трещины - гидроразрыв пласта. По данным Дж. Росс Маккея ^[9], в линзе воды, сформировавшейся в основании промерзающих озерных осадков, давление воды при мощности перекрывающих пород 12 м составляет 1.05 кг/см², а при мощности 22 м – 3.5 кг/см². При мощности осадков около 20 м гидростатическое давление достаточное для развития гидроразрыва составляет немногим более 4 кг/см². Реальные давления, возникающие в водоносном горизонте при промерзании намного больше. Между глинистой толщей и водоносным песчаным горизонтом формируется слой воды, аналогичный описанным выше. При промерзании данного слоя формируется пласт подземного льда. Толща мёрзлой породы, залегающая на слое воды, находится в неустойчивом состоянии. В местах, где устойчивость теряется, происходит разрыв, вверх поступает новая порция воды, которая затем замерзает, укрепляя кровлю. С данным процессом связана и рассмотренная выше достройка вертикальных шлиров за счет воды из трещины в пластовом льду.

На заключительной фазе промерзания водоносного горизонта, в нем образуется серия не промёрзших, обводненных изолированных участков, разделённых мёрзлыми породами. В обводненных зонах давление резко возрастает. В песках подстилающих пластовые залежи, выделяется два пика в распределении значений влажности. Первый пик значений влажности составляет 23-30 % и соответствует пескам с массивной криотекстурой. Второй - соответствует влажности 40-60% (60 % всех определений) и наблюдается в песках с шлировыми текстурами ^[20]. Несомненно, такие большие значения влажности в песках указывают на их промерзание в условиях замкнутого объёма и высокого гидростатического напора. При этом будут возникать высокие давления, которые при достижении определенных значений вызовут деформацию уже сформировавшихся ледяных тел и вышележащих глинистых толщ. По данным Д. Виллимса и Р. Эвердинга для возникновения деформаций 20-30 метрового пласта льда необходимо давление от 6 до 22 кг/см^{2 [20]}. При промерзании замкнутых объемов воды возникающие давления, намного превышают эти значения.

Дискуссия о возможности инъекционного генезиса криогенного комплекса морских отложений района оз. Ней-То

Обоснование ведущей роли инъекционных процессов при формировании криогенного комплекса в районе оз. Ней-То вызвало дискуссию среди специалистов. Рассмотрим данный вопрос подробнее, поскольку он связан не с частными замечаниями относительно формирования криогенного строения локального участка, а касается оценки самой возможности участия напорных, внутригрунтовых вод в формировании пластовых льдов и связанных сними криотекстур, при промерзании морских осадков. Наиболее последовательным критиком инъекционных механизмов при формировании криогенных образований в районе оз. Ней-То выступает В.И Соломатин, поэтому для сопоставления различных позиций воспользуемся его работой «Физика и география подземного оледенения» ^[25].

«…остается неясной причина возникновения гидростатического напора. Промерзание морских мелководий всегда происходит в условиях открытой системы. Избыточная влага, если она присутствует в породе, имеет возможность разгружаться через талые зоны. Не объясняют авторы и пресного, часто ультрапресного, химического состава льда пласта и шлиров, который противоречит их образованию из морской воды с высокой минерализацией» ^{[25, с. 186]}.

Отжимающиеся в ходе диагенетического уплотнения грунтовые воды создают напор на контактах различных по литологии слоев. В. Энгельгардт связывает с этим напором повышение давления воды сверх гидростатического в песках, окружённых глинистыми осадками. Даже небольшой наклон песчаных пластов приводит к накоплению свободных объемов грунтовых вод, в количестве большем, чем это можно предположить, исходя из значений мощности подстилающих глин ^[26]. В данном случае речь идёт об отжатии грунтовых вод вверх. При промерзании песков в прибрежно-морских отложениях будет задействован обратный механизм. Криогенный напор будет задавливать грунтовые воды под глинистые осадки. В прибрежной зоне аккумулятивных побережий лагуны, перешедшие в режим прибрежных озёр, занимают до 80% территории. Все они окружены промерзающими песчаными поверхностями, что делает возможным предложенный механизм нагнетания воды под глинистые толщи. Грунтовые воды с краёв перекрываются мёрзлыми осадками, мощность которых только увеличивается, а в центральной части перекрываются глинистой толщей, которая хоть и с опозданием также начинает промерзать. В целом грунтовые воды оказываются «запечатанными».

Отсутствие значительных напоров в водоносных горизонтах будет наблюдаться при формировании мерзлоты в верхней части толщи морских осадков (верхние 5 – 10 м). Здесь промерзают неуплотненные, насыщенные поровыми водами и слабо переработанные диагенетическими процессами, осадки. Водоносные горизонты имеют непосредственную связь с бассейном. Поэтому возникающие криогенные напоры будут легко вытеснять грунтовые воды из зоны льдообразования. Хотя и в этих условиях формируются инъекционные криотекстуры ^[27]. Формирование мерзлых толщ на более глубоких горизонтах происходит совершенно в других условиях. Здесь глинистые толщи уплотнены и имеют большую прочность, водообмен в них будет затруднён или вовсе отсутствовать. При неравномерном промерзании песчаных водоносных горизонтов, подстилающих глинистые толщи, в них формируются замкнутые системы в которых при дальнейшем промерзании создаются значительные напоры.

В отношении опреснённого состава грунтовых вод следует учитывать, что формирование микроструктуры глинистых морских пород на ранних стадиях диагенеза сопровождается старением алюмосиликатных гелей и синерезисом (самопроизвольным уплотнением осадка, сопровождающимся оттоком воды) ^[28]. Установлено, что при синерезисе гель начинает выделять часть удержанной им жидкости, при этом выделяется не чистый растворитель, а очень обедненный раствор ^[29]. Для глинистой толщи в районе оз. Ней-То характерен монтмориллонитовый состав. П. А. Крюковым были проведены опыты по изучению минерализации порового раствора после отжатия. Образцы имели начальную весовую влажность в 200%. По достижении влажности 50-70% наблюдалось резкое падение концентрации выделившегося порового раствора. При этом поведение отдельных ионов оказывается неодинаковым. Концентрация ионов Cl' уменьшается в 2,3 раза, а ионов SO'4 в 3,2 раза. Концентрация ионов магния возрастает. Значительно падает содержание ионов натрия ^[30]. Опытным путем исследователем было установлено, что чем больше гидрофильность глины, тем при большей влажности и меньшем давлении начинается уменьшение концентации порового раствора ^[31]. Этот вопрос ещё слабо изучен, но можно предположить, что в водах, выделившихся из глинистых осадков при синернезисе будут наблюдаться изменение состава ионов и уменьшение минерализации по сравнению с первичным поровым раствором. Медленное промерзание слоя воды и связанная с ним криогенная метаморфизация воды также приводит к опреснению формирующегося льда. Отжимающиеся соли скапливаются непосредственно под пластовой залежью ^[32].

«…остается неясным физический смысл и механизм “инъекционной достройки” уже существующих ледяных шлиров. Каким образом мерзлая порода может под влиянием внешних усилий расчленяться по сетке уже имеющихся в ней шлиров, а последние наращиваться новыми порциями напорной воды? Звучит совершенно абсурдно. Следует также помнить, что суглинки с аналогичной сетчатой текстурой встречаются и независимо от залежей пластового льда, когда нет никакого смысла говорить об инъекции..» ^{[25, с. 126]}.

Рассуждение об «абсурдности» представлений о формировании сетчатых криотекстур базируется на утверждении о единовременном внедрении больших массивов воды. Но в природе изменения происходят чаще всего постепенно в результате небольших локальных изменений. Инъекции протекают небольшими порциями по мере нарастания давления. Прочность морских осадков на рассматриваемых глубинах незначительна. Даже небольшие отрицательные температуры не сцементируют засолённые морские глины. Но обеспечат промерзание небольших порций воды. Разрывы в глинах будут происходить сначала в наиболее слабых местах. По мере нарастания давления инъекции будут захватывать всё большие площади и проникать все выше. Формирующиеся криотекстуры будут выравнивать различия в прочности глинистой толщи. Постепенно формируется ледяная сетка, значительно упрочняющая глинистую толщу. Преобладающее влияние получают вертикальные шлиры, которые несут следы повторных внедрений. Горизонтальные шлиры прослеживаются только в пределах вертикальных отдельностей. Резкое увеличение предела прочности глин (почти в 3 раза см. выше) можно связать только с воздействием внешней уплотняющей силы, в нашем случае инъекций и последующее льдообразования. Окончание этапа формирования криогенных криотекстур соответствует укреплению горизонта глин, залегающего над водоносным песчаным горизонтом, до значений соответствующих гидроразрыву. Этот процесс описан выше. Полигональность, возникающая в породах при различного рода напряжениях, широко развита в природе. К ним можно отнести и температурные напряжения, и изменения влажности (иссушение), и конвективную неустойчивость, и внешние воздействия. В геокриологии возникновение инъекционных сетчатых криотекстур известны давно, например в связи с промерзанием лагунных отложений ^[27], или формированием полигональной трещиноватости на стадии образования «пьедестала» растущего булгунняха ^[33]. В статье А. Н. Минаева, описан гидролакколит размером около 200 м в поперечнике, сформировавшийся в опоках на берегу р. Ярудей. В верхней части разреза залегают породы с сетчатыми, слоистыми и брекчиевидными текстурами. Структура льда в ядре гидролакколита аллотриоморфнозернистая, ориентировка осей хаотическая. Кристаллы достигают 20-30 см в поперечнике. Автор указывает, что и ледяное ядро, и сетчатые текстуры сформировались при промерзании водоносного горизонта. Текстуры формировались по трещинам, которые впоследствии регенерировали, и кровля становилась более прочной. Ледяное тело сечётся трещинами шириной до 30см. То есть инъекции сопровождали и формирование ледяного тела ^[34]. В цитируемой статье механизм стадийного формирования комплекса текстур и ледяного тела близок к предложенному авторами ^{[15, 17]}. В работе В. И. Соломатина приводится пример сетчатых криогенных текстур в районе оз. Ней-То, где отчётливо видны следы инъекционных процессов аналогичных описанных нами. В вертикальных шлирах наблюдаются осевые швы и вытянутые «языки» грунтовых включений ^[25].

«Пластовое внедрение чрезвычайного объема воды потребовало бы невероятных по мощности сил гидростатического и гидравлического напора. Масштаб подобных сил, способных внедрить в мерзлую породу огромный объем воды и обеспечить наращивание ледяных залежей в десятки метров по вертикали и многие сотни и тысячи метров по простиранию – такие силы просто взорвали бы перекрывающую породу, тем более если в процессе внедрения произошло бы расчленение перекрывающей породы на блоки по сетке ледяной решетки. Очевидно, что подобные механизмы совершенно невозможны с точки зрения физического смысла. ^{[25, с. 126]}.

Никаких «невероятных по мощности сил гидростатического и гидравлического напора» не требуется. Никакого горизонтального катастрофического прорыва воды не происходит. Собственно, и инъекции не происходит. Вода, фильтрующаяся в результате криогенного напора по водоносному горизонту, в результате гидростатического разрыва формирует микроскопическую трещину заполненную водой. Гидростатическое давление, при этом, будет составлять около 4 кг/см², то есть не достигает каких то фантастических значений и не теряет «физического смысла». Вся глинистая толща будет взвешена слоем воды. Данный слой будет увеличиваться и достигнет размеров, определяемых соотношением скоростей поступления воды и промерзания.

«Штоки имеют сланцеватое вдоль простирания строение, резко отличное от строения вмещающего их пластового льда. Поперечник этих образований меняется от 10 до 1 м и более в разрезах оз. Нейто. Над ними иногда заметны незначительное изгибание кверху контакта с перекрывающими отложениями и нарушения в последних правильности рисунка криогенной текстуры: радиальное расхождение шлиров. Авторы объясняют подобные случаи инъекцией воды снизу в разрывные нарушения пласта. С этим выводом трудно согласиться. Прежде всего, неясен механизм образования разрывных нарушений, т. е. полости, выполняемой инъекционной водой.» ^{[25, с. 187-188]}.

Мы считаем, что механизм образования ледогрунтовых штоков деформирующих и пластовые льды, и льдистые глины непротиворечиво объясняется парагенезом процессов формирования сетчатых текстур и пластовых льдов за счёт промерзания грунтовых вод. Промерзший твёрдый массив, включающий пластовые льды и льдистые суглинки, залегает над слоем жидкости. Данная система находятся в неустойчивом состоянии, она не может длительное время быть стабильной. Иногда целостность системы нарушается, на локальных участках образуются ослабленные зоны или разрывы. По ним под давлением снизу вверх проникает вода или водонасыщенный грунт. Кроме того, в заключительной фазе формирования пластовых льдов остаются отдельные локальные не промёрзшие участки. При их промерзании возникает повышенное давление, прорывающее пластовый лёд. При этом не возникает никаких запредельных напряжений. Для возникновения деформаций 20-30 метрового пласта льда, как указывалось выше, необходимо давление около 20 кг/см^{2 [21]}.

Указывается невозможность реализации инъекционных механизмов при наличии тонкого слоя песка между пластовым льдом и глинами ^{[25, с. 126]}. Рассмотренный выше механизм развития криогенного комплекса базируется на том, что в глинистой толще отрицательные температуры существуют на всем этапе формирования сетчатых криотекстур. И в это время глины контактируют с подстилающим песчаным горизонтом. После того, как глинистая толща укрепится и инъекции прекратятся или значительно ослабнут, начинается промерзание водоносного песчаного горизонта, криогенный напор в нем резко возрастёт и произойдёт гидроразрыв. При этом часть мёрзлого слоя песка останется на контакте. Последующее формирование пластового льда сохранит его.

Подведем итог обсуждения гипотезы возможного инъекционного генезиса криогенного комплекса в морских отложений района оз. Ней-То. Если убрать излишнюю эмоциональность, неуместную при обсуждении научных проблем, то основным доводом против инъекционного механизма являются представления о каких-то колоссальных напряжениях, возникающих в толще пород и гигантских объёмах воды, единовременно внедряющихся в них. Во всех публикациях ^{[15, 17, 18 и др.]}, посвящённых формированию криогенного комплекса в районе оз. Ней-То, подчёркивается, что процессы идут длительное время, постепенно и поступательно. При этом, получает развитие сложная, саморегулирующаяся геосистема, в которой за счёт криогенного напора перераспределяются потоки внутригрунтовых вод. В процессе её развития возникают локальные внутренние напряжения и деформации. Различные элементы криогенного строения отражают стадии развития данной геосистемы.

Дискуссия, существующая в отношении роли инъекционных процессов в формировании криогенного строения многолетнемёрзлых пород, вскрывает слабую разработанность данной проблемы. К нерешённым вопросам относятся: отсутствие терминологической системы, соответствующей сложной структуре инъекционных криогенных геосистем, отсутствие физических и математических моделей протекания инъекционных процессов в различных условиях.

Условия, благоприятные для возникновения флюидов подземных вод за счёт формирования криогенного напора

Следует коротко остановиться на природных условиях, в которых могут формироваться значительные потоки грунтовых вод, образующие криогенные комплексы, подобные рассмотренным выше. Эти условия довольно широко распространены и соответствуют переходу морских осадков из субаквального в субаэральное состояние. В Арктике такой переход обуславливает направленное промерзание осадков, при этом под воздействием криогенного напора формируются мощные потоки грунтовых вод.

В 2013 г., пролетая над морем Лаптевых, лётчики заметили с воздуха небольшой остров, который не был отмечен на картах (рис. 9). Остров представлял из себя серповидные дуги, формирующие полуизолированный водоём. Через год (рис.10) остров превратился в песчаную окружность с внутренним водоёмом.

Рис. 9. Вновь образовавшийся остров в море Лаптевых снимок 2013 г. ^[35]

Рис. 10. Тот же остров в 2014 г ^[36].

Формирование данного острова иллюстрирует динамику изменения мерзлотных условий выходящего на поверхность морского дна, находящегося вдали от побережья. Песчаный берег будет промерзать в первую очередь. После заполнения озера осадками они также начнут промерзать. При этом сформируются условия всестороннего промерзания и возникновения криогенного напора в грунтовых водах.

На прибрежных участках схема выхода участком морского дна и, соответственно условий промерзания, несколько иная. На рис. 11 приведена общая схема развития аккумулятивных морских побережий.

Рис. 11. Стадии развития бара: 1 - подводный бар; 2 - островной бар; 3 - береговой бар (по О. К. Леонтьеву ^[37]).

Очевидно, что закономерности развития морских побережий, а также участков морского дна, далеко отстоящих от берега, в условиях сурового арктического климата создают условия для возникновения криогенных напоров и развития инъекционных процессов в различных формах. В настоящее время, больших участков морского дна, выходящих на поверхность, не наблюдается, но в прошлые эпохи это происходило на огромных территориях (рис. 12).

Рис. 12. Распределение суши и моря на севере Западной Сибири. А-максимум Казанцевской трансгрессии, Б-максимум Каргинской трансгрессии, В-конец Каргинской ингрессии: 1 - море, 2 - суша, 3 - современная береговая линия ^[15].

Работа выполнена: при финансовой поддержке РФФИ (проект 17-05-00294), в соответствии государственному заданию ФАНО (рег. № АААА-А18-118022190065-1 от 21/02/2018), в рамках темы ПФНИ ГАН № гос. регистрации AAAA-A17-117032010141-7