Composition, structure and characteristics of permafrost sands in the territory of Eastern Siberia

Averkina Tatiana Ivanovna PhD in Geology and Mineralogy Docent, the department of Engineering and Environmental Geology, the faculty of Geology, M. V. Lomonosov Moscow State University 119234, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 109 averkina@geol.msu.ru Other publications by this author     Andreeva Tatiana Vasil'evna PhD in Geology and Mineralogy Docent, the department of Engineering and Environmental Geology, the faculty of Geology, M. V. Lomonosov Moscow State University  119234, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 109 andreeva@geol.msu.ru

Balykova Svetlana Dmitrievna PhD in Geology and Mineralogy Senior Scientific Associate, the department of Engineering and Environmental Geology, the faculty of Geology, M. V. Lomonosov Moscow State University  119234, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 109 balykova@geol.msu.ru

Введение

Песчаные породы составляют значительную часть осадочной оболочки Земли, активно вовлекаются в хозяйственную деятельность людей и являются важным объектом научных и практических исследований. На территории Восточной Сибири значительная часть песков находится в многолетнемерзлом состоянии. Они встречаются на платформенной части региона (Сибирская и Яно-Колымская платформы) и в пределах горных территорий (Верхояно-Чукотский, Алтае-Саянский, Забайкальский орогены и Байкальский рифтоген). Возрастной диапазон многолетнемерзлых песков очень широкий – от мезозоя до голоцена включительно. Дочетвертичные песчаные грунты относятся к категории эпикриогенных, четвертичные представлены и синкриогенными, и эпикриогенными разностями.

Синкриогенные пески платформенных территорий

На севере Восточной Сибири (севернее 65⁰ с.ш.) вследствие сурового континентального климата и низких отрицательных температур пород рыхлые четвертичные отложения, и пески в том числе, промерзали и промерзают преимущественно сингенетически. В пределах 62–65⁰ с.ш. в период голоценового оптимума часть сингенетических толщ протаяла и заместилась эпикриогенными грунтами. А на юге в это время протаяли все плейстоценовые синкриогенные толщи, хотя следы их существования обнаружены в разрезах второй, третьей, четвертой и пятой террас Ангары, Лены (в верхнем течении) и их притоков ^[7].

В северных районах Сибирской платформы, Хатангском прогибе и Яно-Колымской плите к категории синкриогенных относятся средне-верхнеплейстоценовые песчаные грунты озерно-аллювиального, озерно-ледникового и водно-ледникового генезиса, а также верхнеплейстоцен-голоценовые аллювиального, аллювиально-морского и эолового генезиса.

Флювиогляциальные пески мощностью до 40 м полимиктовые, преимущественно крупно- и среднезернистые, косослоистые, с включениями гальки и валунов (иногда до 50 %). Криотекстура грунтов массивная, суммарная влажность составляет 20–30 %, при протаивании возможна незначительная осадка – от 0,5 до 5%. Озерно-ледниковые и озерно-аллювиальные пески более дисперсные – мелкие и пылеватые с прослоями глины или торфа. У мелких разностей криотекстура массивная и льдистость 10–15%, у пылеватых часто тонкошлировая и более высокая льдистость. Аллювиальные пески русловой фации обычно грубозернистые с массивной криотекстурой. Пески пойменной фации традиционно более тонкие – мелкие и пылеватые, в таблице 1 приведены некоторые показатели их свойств.

Таблица 1

Свойства аллювиальных песков пойменной фации II надпойменной

террасы р.Котуй ^[2]

Примечание: перед дробью – среднее значение показателя, в числителе дроби – среднее квадратическое отклонение, в скобках – коэффициент вариации, в знаменателе дроби – минимальное и максимальное значения, после дроби – количество определений

На Яно-Колымской плите прослои и линзы песков встречаются в разрезах широко развитых синкриогенных едомных толщ (другие названия – ледовый комплекс и лессово-ледовый комплекс). В качестве примера рассмотрим известный разрез Дуванный Яр, который расположен в низовьях р.Колымы и является самым значительным обнажением огромной Омолоно-Анюйской едомы, имеющей площадь более 1000 км². Толща отчетливо делится на две части. Верхняя имеет мощность 15–20 м, сложена супесями, в самом верху перекрытыми сильно пылеватыми песками с незначительным содержанием органики. В нижней части, мощностью 25–35 м, тоже развиты супеси, но уже с высоким содержанием органического вещества в виде линз и прослоев (до 0,5 м). Льдистость толщи с учетом текстурообразующего льда составляет около 50%. В верхней части разреза развиты сравнительно узкие (до 1–1,5 м) ледяные жилы, расстояние между которыми составляет 4–6 м. В нижней части жилы более крупные – шириной до 2–3,5 м, а расстояние между ними – 10–15 м ^[4].

В средней части Сибирской платформы основные площади развития синкриогенных песков сосредоточены в центральной Якутии, в долинах крупных рек – Лены, Вилюя, Алдана, Амги. Особенно широко они распространены в разрезах средних террас (бестяхская, тюнгюлюнская, абалахская, маганская), где представлены кварцево-полевошпатовыми, горизонтально- и косослоистыми, преимущественно слабольдистыми разностями. Пески в нижних горизонтах более грубые – в гранулометрическом составе преобладают фракции более 0,1 мм, средний диаметр частиц составляет 0,25 мм. Вверх по разрезу они становятся более тонкими – преобладают фракции менее 0,1 мм, средний диаметр частиц равен 0,08 мм ^[15].

Мощность аллювия средних террас изменяется от 10 до 25 м. В песчаных разрезах этих террас М.С. Иванов и Г.Ф. Гравис обнаружили повторно-жильные и пластовые льды (рис.1). Ширина жил поверху составляет 2,5–3 м, вертикальная протяженность 14–18 м, а пластовые залежи льда имеют толщину 0,5–4 м и протяженность 5–200 м. По данным бурения, часть ледяных жил до глубины 4–6 м замещена песчаными псевдоморфозами.

Рис.1. Подземные льды в разрезе Бестяхской террасы р.Лены. По Г.Ф.Гравису и М.С.Иванову ^[6]:

1 – песок пылеватый, эоловый; 2–3 – песок мелко- и среднезернистый, аллювиальный горизонтально-слоистый (2) и косослоистый (3); 4 – песчаные жилы; 5 – лед

У мерзлых аллювиальных песков Центральной Якутии суммарная влажность составляет 17–33 % (коэффициент изменчивости 8–20%), плотность грунта – от 1,77 до 2,06 г/см³ (коэффициент изменчивости 3–7%), плотность скелета – от 1,33 до 1,81 г/см³, коэффициент пористости – от 0,53 до 1,16 (коэффициент изменчивости 3–13%). Пылеватые пески при оттаивании дают существенную осадку и нередко переходят в плывунное состояние. У таких песков на II-ой террасе р.Лены средние значения относительной осадки изменяются от 0,04 до 0,117 ^[15].

И.Н. Вотяков, обработав большой объем данных по свойствам многолетнемерзлых грунтов, развитых на территории г.Якутска, предложил для них наиболее вероятные значения основных показателей плотности и влажности (по существу, нормативные показатели). В таблице 2 приведены эти показатели для мерзлых аллювиальных песков разного состава, из которой следует: чем выше дисперсность песков, тем выше их естественная влажность и коэффициент пористости и ниже плотность грунта и скелета грунта. Для мелкозернистых разностей песков И.Н. Вотяков привел также средние значения относительной осадки при свободном оттаивании и под нагрузками при разных значениях влажности (табл. 3).

Таблица 2

Наиболее вероятные значения показателей плотности и влажности многолетнемерзлых песчаных грунтов Якутска ^[5]

Для тех же аллювиальных песков Якутска были определены некоторые показатели теплофизических свойств. Объемная теплоемкость изменяется от 2,07 до 2,12 кДж/м³∙град, коэффициент теплопроводности – от 5,85∙10-3 до 6,09∙10-3 вт/м∙град, коэффициент температуропроводности – от 17,46 до 17,6 м²/с. При этом установлено, что по площади и глубине эти показатели изменяются незначительно – коэффициент изменчивости 0,3–0,7 % ^[15].

Таблица 3

Средние значения относительной осадки оттаивания многолетнемерзлых

песков на территории Якутска ^[5]

На территории Якутска проведено детальное изучение засоленности многолетнемерзлых аллювиальных пород поймы, I и II надпойменных террас. Оно показало, что возвышенные участки этих уровней сложены незасоленными песками, а на плоских поверхностях в пылеватых песках и супесях до глубины 3 м содержание солей составляет 0,1–1,26 %, ниже изменяется в пределах 0,1–0,9%. Состав солей – гидрокарбонатный и гидрокарбонатно-сульфатный. В присклоновых частях террас соли имеют гидрокарбонатно-хлоридный состав, и отмечено увеличение засоленности вниз по разрезу: до глубины 3 м она составляет 0,2–0,5 %, а ниже в пылеватых песках возрастает от 0,14 до 1,1 %, в мелких – от 0,24 до 0,74 %. Для мерзлых пород, залегающих в понижениях террас, характерны сульфатно-хлоридный и хлоридно-сульфатный типы засоления. При этом засоление распространяется на глубину до 3–5 м (в отдельных случаях до 15 м), а содержание солей изменяется от 0,2 до 1,6 %, реже до 2,7 % ^[8].

В южной части Сибирской платформы, которая относится к зоне совместного распространения многолетнемерзлых и талых пород, острова мерзлоты приурочены, главным образом, к массивам глинистых пород. Чаще всего они выделяются в долинах рек на затененных или заторфованных участках. Песчаные грунты, и без того развитые здесь ограниченно (в основном только в речных долинах), находятся чаще всего в талом состоянии.

Эпикриогенные пески платформенных территорий

На территории Восточной Сибири возраст эпикриогенных песчаных грунтов начинается с ранней юры. Основные районы распространения многолетнемерзлых дочетвертичных песков – Хатангский и Предверхоянский прогибы, а также Вилюйская синеклиза.

В разрезе Хатангского прогиба древние эпикриогенные пески выделяются в составе терригенных верхнемеловой и угленосной нижнемеловой формаций. Помимо песков они включаютпесчаники, алевролиты, глины, аргиллиты, конгломераты, а во втором случае ещё и прослои бурых углей. Общая мощность этих формаций доходит до нескольких километров, но проморожены в них только верхние 500–600 м. Льдистость песков невысокая, криотекстура массивная. Они перекрыты мерзлым четвертичным покровом мощностью 20–80 м.

В пределах Вилюйской синеклизы и сочлененного с ней Предверхоянского прогиба описаны четыре согласно залегающих терригенных формации, включающих пески: молассовидная нижней и средней юры, континентальная угленосная верхней юры – нижнего мела, континентальная каолиновая верхнего мела и сероцветная неогеновая.

Вмолассовидную формацию нижней и средней юры помимо песков входят песчаники, алевролиты, глины и аргиллиты, а также конгломераты и галечники в нижней части. В бортах синеклизы формация залегает под кайнозойскими отложениями, в восточном направлении погружается под более молодые мезозойские породы и в этом же направлении её мощность увеличивается от 100 до 900 м, в прогибе достигает 1500 м. До глубины 500–600 м породы находятся в многолетнемерзлом состоянии. Пески данной формации кварц-полевошпатовые, разнозернистые, с включениями лимонит-песчаниковых и марказитовых стяжений, в верхней части хорошо сортированные. Плотность твердых частиц в среднем составляет 2,67 г/см³, плотность грунта 1,4–1,8 г/см³, полная влагоемкость 10–38 %, влажность 6–34%, пористость 40–44 %. Криотекстура песков массивная, льдистость невысокая, при оттаивании они переходят в рыхлое, часто сыпучее состояние ^[15].

Угленосная формация верхней юры – нижнего мела перекрывает молассовидную и представлена чередующимися песками, песчаниками, алевролитами с прослоями конгломератов, гравелитов, глин, аргиллитов и углей. Глубина ее залегания изменяется от 3–100 м на западном склоне Вилюйской синеклизы до 500–1000 м в центральной части, а мощность варьирует от 200 до 5200 м (в Предверхоянском прогибе). Породы этой формации проморожены на глубину 400–600 м.

Терригенная формация верхнего мела почти полностью сложена песками, изредка встречаются глины и прослои бурых углей и лигнитов. Её характерная особенность – каолинизация отложений, уменьшающаяся вниз по разрезу. Мощность формации изменяется в широких пределах – от 160 м на Верхне-Вилюйском поднятии до 1000 м и более в самой погруженной части впадины, до глубины 500-600 м она находится преимущественно в многолетнемерзлом состоянии. Пески полевошпат-кварцевые, местами ожелезненные, мелко-, средне- и крупнозернистые, в верхней части грубозернистые, иногда пылеватые. В устье Вилюя преобладают более тонкие разности – мелкозернистые и пылеватые, с коэффициентом неоднородности 5 при действующем диаметре 0,045 мм. Плотность мерзлых песков изменяется от 1,7 до 2,26 г/см³ (среднее значение 2,06 г/см³), плотность твердых частиц 2,65–2,66 г/см³, коэффициент пористости 0,540–0,592, суммарная влажность 12–24% (среднее значение 22%), полная влагоемкость 22 % ^[15].

На мезозойских отложениях залегает неогеновая терригенная формация, сложенная аллювиальными и озерно-аллювиальными песчано-глинистыми породами мощностью от 45 до 800 м (максимальная – в Нижне-Алданской впадине). Отложения проморожены до глубины 500 м, в верхних горизонтах местами отмечены повторно-жильные льды. Изучение 100-метровой части разреза данной формации в районе Якутска показало следующие результаты. Толща представлена переслаиванием мелкозернистых песков и супесей, реже встречаются суглинки. Криотекстура песков массивная, влажность по 36 определениям изменяется от 15,9 до 22 % (среднее значение 19%), плотность мерзлого грунта 1,97–2,1 г/см³ (среднее 2,0 г/см³), плотность скелета 1,64–1,85 г/см³ (среднее 1,65 г/см³), коэффициент пористости 0,45–0,83 (среднее 0,60). Объемная теплоемкость песков имеет среднее значение 2,09 кДж/м³∙град, коэффициент теплопроводности 5,8∙10^-3 Вт/м∙град, коэффициент температуропроводности 1,66 м²/с ^[15].

Более молодые плейстоценовые эпикриогенные пески на севере Восточной Сибири подстилают синкриогенные и входят в состав водно-ледниковых, озерно-ледниковых, морских, аллювиально-морских, озерно-аллювиальных и аллювиальных комплексов. В водно-ледниковых отложениях пески преобладают, включают значительное количество гравия и гальки, имеют массивную криотекстуру и невысокую льдистость. В предгорьях Таймыра на контакте водно-ледниковых песков со скальными породами были зафиксированы крупные залежи подземных льдов, вероятно, инфильтрационного происхождения. А на контактах песков и глин встречаются инъекционные и сегрегационные льды. Озерные и озерно-ледниковые отложения более дисперсные. В Хатангском прогибе они выполняют крупные гляциодепрессии, которые вытянуты вдоль долин рек Пясина, Мокоритто и др. и в которых до сих пор сохранились крупные озера.

Среди четвертичных песков Центральной Якутии особый интерес представляют среднеплейстоцен-голоценовые эоловые образования, которые широко распространены в долинах Лены, Вилюя и других рек региона. В разрезах этих песков выделяют и эпикриогенные, и синкриогенные разности. От окружающих многолетнемерзлых пород они отличаются достаточно высокими температурами – на залесенных участках она составляет -1,5 °С. Эоловые пески образуют дюны и бугристые скопления. Гривы песчаных массивов заняты боровыми сосняками, иногда с примесью лиственницы, в понижениях развиты травяные и моховые болота или луга. На некоторых массивах растительность практически отсутствует, и в теплое время года здесь происходит довольно активное перевевание песков. Местное на­звание таких массивов — тукуланы. Основные площади их развития находятся в среднем течении р.Лены и низовьях Вилюя – самых засушливых районах Якутии. И на обнаженных, и на залесённых песчаных массивах установлено наличие реликтовых радиационно-тепловых таликов. На тукуланах встречаются только надмерзлотные талики, а в пределах залесённых песчаных массивов – и надмерзлотные, и внутримерзлотные. Их мощность изменяется от 60 до 150 м. Например, на залесённой 15-метровой правобережной террасе р. Вилюй обнаружен талик, кровля которого вскрыта на глубине 7–9 м, а подошва на глубине 20–113 м ^[13].

Пески тукуланов светло-желтого и серовато-желтого цвета, их мощность изменяется от 0,5 до 20 м. По данным Е.Г. Катасоновой в дюнах для них характерна косая слоистость перекрестного типа, а в понижениях – линзовидно горизонтальная. В разрезах отмечены невыдержанные горизонты погребенных почв, что указывает на усиление и ослабление эоловой деятельности. Влажность песков в пределах дюн и бугров очень низкая – до 3%, в понижениях чуть выше – до 5%. Под эоловыми залегают аллювиальные пески, которые от них резко отличаются – имеют массивную криотекстуру и льдистость 15–25%. В верхней части разрезов тукуланов отмечены грунтовые (песчаные) жилы сингенетические и эпигенетические ^[11].

Изучение эоловых песков в долине Вилюя, в районе пос. Толоон показало, что они кварцевые, мелко- и среднезернистые, окатанные, хорошо сортированные (коэффициент неоднородности меньше 3). Криотекстура грунтов массивная, влажность невысокая – около 5–6%. Лишь 5 % песков имеют влажность выше 20 %, что соответствует распученному состоянию. Средние значения плотности грунта составляют 1,99–2,04 г/см³, плотность скелета 1,89–1,92 г/см³, коэффициент пористости 0,370–0,392 ^[15].

В южной части Сибирской платформыэпикриогенные пески встречаются очень редко. Многолетнемерзлые породы имеют здесь островное распространение и приурочены, главным образом к затененным или заторфованным участкам, сложенным преимущественно глинистыми отложениями.

Многолетнемерзлые пески горных территорий

В пределах горно-складчатых сооружений Восточной Сибири песчаные грунты развиты ограниченно, преимущественно во впадинах. Синкриогенные пески выделяются в зонах (поясах) сплошного распространения многолетнемерзлых пород – в пределах Верхояно-Чукотского орогена, севере Забайкальского, севере Байкальского рифтогена и, как правило, подстилаются там грунтами эпикриогенными.

На западе Верхояно-Чукотского орогена, в пределах Дербенской впадины, в ходе изысканий было проведено изучение плейстоценовых озерно-аллювиальных отложений. Оно показало, что в их составе преобладают пески кварц-полевошпатовые, пылеватые и мелкозернистые, реже среднезернистые. Гранулометрическая фракция крупнее 0,5 мм отсутствует; в верхней части разреза 60–70% приходится на фракцию 0,25–0,1 мм и 40–45% – на фракцию менее 0,1 мм. С глубиной происходит уменьшение содержания пылеватой и глинистой фракций до 15–20% и увеличение фракции 0,25–0,1 мм до 80–95% и фракции 0,5–0,25 мм до 20%. Пески чаще всего имеют массивную криотекстуру, являются повышенно- и среднельдистыми, при оттаивании переходят в рыхлое водонасыщенное, а на некоторых участках – плывунное состояние ^[14]. В таблице 4 приведены некоторые показатели свойств озерно-аллювиальных песков на разной глубине разреза.

Таблица 4

Свойства озерно-аллювиальных песков (по материалам института Якутгражданпроект) ^[10]

Во впадинах Забайкальского орогена и Байкальского рифтогена значительная часть рыхлых четвертичных отложений приходится на плейстоценовый полигенетический комплекс песков, который развит в межгорных впадинах и долинах рек. В рифтовых впадинах, иногда называемых впадинами байкальского типа, его мощность доходит до 200–400 м. Данные пески объединяют отложения водно-ледникового, озерно-аллювиального, аллювиальногоиэолового генезиса. При этом на севере региона (Муйская, Чарская, Ципинская впадины и др.) в верхах разреза пески относятся к категории синкриогенных, в центральной и южной частях (Верхнеангарская, Баргузинская, Тункинская впадины и др.) они полностью трактуются как эпикриогенные. Особый интерес представляют эоловые пески, залегающие на высоких террасах и низких водоразделах. Местами они закреплены растительностью, а иногда образуют обширные перевеваемые массивы – «мини–пустыни» с барханами и дюнами. В первом случае пески мерзлые, а во втором под ними развиты талики. Например, в центре Чарской впадины находится огромный массив перевеваемых песков – урочище Пески площадью около 40 км2. На вершине одной из дюн здесь была пробурена скважина глубиной 30 м, которая мерзлоту не вскрыла – прошла через талые пески до уровня подземных вод. Формирование талика под обнаженными песками связывают с высокодебитной разгрузкой артезианских вод и с тем, что мерзлые пески протаивают до глубины 10–11 м, а промерзают до 6–7 м, т.е. идет деградация мерзлоты. Урочище окружено многолетнемерзлыми закрепленными боровыми песками с температурой –2°С на глубине нулевых годовых колебаний, а на соседних марях она составляет уже –3÷–4°С. Глубина сезонного оттаивания на боровых песках не более 2,3–2,5 м ^[9]. Аналогичные эоловые пески выделяются и в более южных впадинах Байкальского рифтогена и Забайкальского орогена, но там они полностью трактуются как образования эпикриогенные. В южных впадинах кровля мерзлоты под развеваемыми песками опущена значительно глубже, чем в северных. В Тункинской депрессии она вскрывается на глубине от 12 до 47 м, Баргузинской – от 38 до 120 м, Верхнеангарской – от 27 до 127 м Эоловые пески представлены мелкозернистыми и пылеватыми разностями рыхлого сложения с невысокой влажностью (3–10%) и часто морозной криотекстурой ^[12].

В переделах Алтае-Саянскойгорной системы, расположенной на самом юге Сибири, мерзлые пески развиты только в верхнем высотном поясе. В наиболее изученных Чуйской, Курайской и Убсунурской впадинах мощность многолетнемерзлой толщи оценивается в 40–90 м. Мерзлые пески, чаще всего, приурочены к плейстоценовым озерно-ледниковым, водно-ледниковым или озерно-аллювиальным отложениям и вероятно, палеоген-неогеновой терригенной красноцветной (молассовой)формации. В инженерно-геологическом отношении они пока слабо изучены, можно лишь отметить, что в основном это образования эпикриогенные. Тем не менее, в верховьях Енисея, на западе Тоджинской впадины, в уникальной обстановке прерывистой седиментации была накоплена синкриогенная толща верхнеплейстоцен-голоценовых осадков, которая описана в разрезе 20-метровой террасы в урочище Мерзлый Яр. В составе этой толщи, пронизанной несколькими ярусами повторно-жильных льдов, преобладают пылеватые супеси, но выделяются и прослои песков ^[3,1].

Заключение

1. На территории Восточной Сибири возраст многолетнемерзлых песков изменяется от ранней юры до голоцена включительно. Самые древние, выделенные в пределах Вилюйской синеклизы (нижнее-, средне и верхнеюрские; нижнее- и верхнемеловые) и Хатангского прогиба (нижнее- и верхнемеловые), относятся к категории эпикриогенных.

2. Многолетнемерзлые пески четвертичного возраста входят в состав водно-ледниковых, озерно-ледниковых, морских, аллювиально-морских, эоловых, озерно-аллювиальных и аллювиальных генетических комплексов. В северных районах верхнюю часть разрезов этих комплексов обычно слагают синкриогенные грунты, а эпикриогенные их подстилают. В центральных и южных районах эпикриогенные пески часто залегают непосредственно с поверхности.

3. В Центральной Якутии и некоторых впадинах южных орогенов выделяются обширные массивы перевеваемых, полузакрепленных или закрепленных эоловых песков. Под перевеваемыми песками развиты талики различной мощности.

4. Гранулометрический состав песчаных грунтов изменяется в широком диапазоне – от гравелистых до пылеватых разностей. Чем выше дисперсность песков, тем обычно выше их естественная влажность и коэффициент пористости и ниже плотность грунта и скелета грунта. Мелкие и пылеватые разности нередко имеют шлировую криотектстуру, при оттаивании дают заметную осадку и часто переходят в плывунное состояние. У более крупных песков криотекстура преимущественно массивная, осадка при оттаивании незначительная.