Dynamics of the development of thermocirque with massive ice bed near the village of Lavrentia (Chukotka Autonomous Okrug) for 2018-2021

Введение

Пластовые льды являются, пожалуй, одним из самых интересных и дискуссионных объектов изучения криолитологии и геокриологии. Пластовые льды – это 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 залегания варьирует от 3-5 м до первых сотен метров ^[1]. Иными словами, термин «пластовый лёд» является чисто морфологическим и не несёт в себе никакой генетической или структурной информации.

Актуальность исследования пластовых льдов связана с двумя основными проблемами. Первая относится к области фундаментальной науки, а конкретнее, к палеогеографии. Понимание механизмов образования конкретных ледяных залежей, а также грамотная интерпретация их структуры, химического и изотопного состава позволяют с высокой точностью объяснить историю формирования и промерзания вмещающих отложений. В дополнение, появляется возможность качественно и количественно оценить палеогеографическую обстановку в период формирования пластового льда. Вторая проблема связана с рельефообразующей деятельностью приповерхностных пластовых льдов, которые при определённых условиях способствуют процессу криогенного оползания ^[2], проявляющемуся в виде движения переувлажнённых оттаявших грунтов слоя сезонного оттаивания по кровле ледяной залежи с формированием особых форм рельефа – термокаров и термоцирков. К.С. Воскресенский определял этот процесс как «комплексная деструкция» ^[3]. Скорости отступания задней стенки термоцирков на начальном этапе формирования достигают 20-30 м/год ^[4], что представляет серьёзную опасность для любых инженерных сооружений, расположенных в непосредственной близости от залежей пластовых льдов. Дополнительные трудности вносит большое разнообразие генетических типов пластовых льдов, каждый из которых формируется благодаря сложному сочетанию локальных экзогенных, криогенных и реже эндогенных процессов ^[5].

Подземные льды Чукотки начали изучаться в окрестностях города Анадырь в 30-х годах ХХ века П.А. Соловьёвым ^[6] и П.Ф. Швецовым ^[7]. Наиболее детальные исследования были проведены Б.И. Втюриным ^[8] и Ш.Ш. Гасановым ^[9], которые описали множество различных залежей пластовых льдов в долине р. Анадырь, на побережье залива Креста и Мечигменского залива, в Уэленской низине, на побережье Колючинской губы, в приморской части Нижне-Анадырской низменности. Также Ш.Ш. Гасанов ^[9] составил генетическую классификацию подземных льдов Чукотки и описал несколько механизмов формирования залежей подземного льда в этом регионе. Подробные изотопные описания пластовых льдов были сделаны Ю.К. Васильчуком с соавт. ^{[5, 10-14]} в районе озера Коолень, посёлка Лаврентия, Мечигменского залива, города Анадырь, а также А.Н. Котовым ^[15-19] в районе залива Онемен, рек Танюрер, Амгуэмы и Экитыки. Наиболее свежие данные по пластовым льдам Восточной Чукотки опубликованы в работках А.А. Маслакова с соавт. ^[20], Н.Г. Беловой с соавт. ^[21] и Ю.К. Васильчука с соавт. ^[14].

Пластовые льды в окрестностях села Лаврентия (Восточная Чукотка) описывались многими исследователями (Ш.Ш. Гасанов, Н.Г. Белова, Ю.К. Васильчук и др.). В настоящее время группа исследователей под руководством А.А. Маслакова проводит ежегодные полевые работы в Чукотском районе, в задачи которых входят наблюдение за формированием и динамикой термоденудационных форм рельефа (термоцирки), а также морфологическое описание вскрывающихся залежей пластовых льдов и отбор образцов из них для определения изотопного состава.

Цель данной статьи заключается в анализе изменения морфологии пластовой залежи в термоцирке вблизи с. Лаврентия за 2018-2021 гг. (Рис. 1).

Рисунок 1. Карта расположения термоцирка и фото термоцирка в 2020 г. Карта распространения температуры пород получена из (Obu et al., 2019) ^[22].

Материалы и методы

Район исследований

Восточная Чукотка относится к зоне мезозойского складчатого пояса, что обуславливает горный рельеф и глубокое расчленение территории. Приморские равнины, окаймляющие горные сооружения, имеют ледниковый, флювиогляциальный, ледниково-морской и морской генезис и сформировались преимущественно в плейстоценовое время. Голоценовый рельеф представлен долинами рек, морскими косами, термокарстовыми озёрами и эрозионными формами различного вида ^[9]. Непосредственно территория исследований ограничена с севера заливом Лаврентия и хребтом Гэнканый, с запада - Мечигменской губой, с востока и юга – водами Берингова моря.

Субарктический морской климат района характеризуется следующими показателями. Среднегодовая температура воздуха в г. Анадырь за период с 1965 по 2018 г. составила –7°C ^[23]. Лето пасмурное и прохладное: Tjul +8..+10°С. Зима длительная, с частыми и затяжными метелями, Tjan - 16..-20°С. В среднем в году отмечается 221 день со снежным покровом мощностью не менее 40 см. Годовая сумма осадков составляет 400-500 мм, высота снежного покрова не превышает 0,5- 0,6 м, однако из-за сильных ветров происходит перераспределение снега, и на отдельных участках его высота может превышать 3-5 м. Скорость ветра составляет 2-8 м/с, но может достигать 20-40 м/с. Высокая облачность прибрежной территории обуславливает доминирование рассеянной радиации ^[24].

Многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение. Несквозные талики (мощностью до 40 м) встречаются только в нижнем течении крупных рек и под самыми крупными термокарстовыми озёрами. Температура мёрзлых пород составляет в среднем ‑10°С в осевых частях горных хребтов и –4…–6°С в долинах рек и на побережье. Мощность мерзлых толщ меняется от 500–700 м в самых высоких частях хребтов до 200–300 м в долинах внутренней, удалённой от моря части Чукотского полуострова и на побережье ^[25]. Глубина оттаивания за период наблюдений на площадках CALM составляет 0,5 – 0,7 м ^[26]. В криолитологическом разрезе встречаются крупные залежи подземных льдов. В береговом обрыве у с. Лорино вскрываются мощные голоценовые полигонально-жильные льды. Высота жил около 4 м. ширина у кровли до 1,5 – 2 м. Вероятно жилы имеют эпигенетическое происхождение. Залежи пластовых льдов вскрываются в береговом обрыве ледниковой и флювиогляциальной равнины в окрестностях с. Лаврентия, а также в отложениях IV морской и ледниково-морской террасы. Размеры залежей пластовых льдов сильно различаются от нескольких до первых десятков метров в ширину. Видимая мощность залежей также варьирует от 1,5 до 6-7 м ^[14]. Наличие пластовых льдов способствует возникновению процесса комплексной деструкции и формированию крупных термоцирков.

Методика исследований

Полевые описания морфологии залежи (65°31’45,8’’ с.ш., 170°58’57,4’’ з.д.), расположенной в 7 км к югу от села Лаврентия (Чукотский АО), проводились в летний период 2018, 2019, 2020 и 2021 годов. Проводилось подробное описание морфологических параметров термоцирка. В расчищенном обнажении параллельно с фиксацией структурно-геологических, литологических и седиментационных характеристик многолетнемерзлых отложений определялось положение залежеобразующих льдов, производилось описание контактов и характера залегания ледяных тел, структур и текстур льда, текстурообразующих льдов вмещающих отложений. Также выполнялась подробная фотофиксация всех структурных элементов термоцирка и грунтового обнажений.

Для получения более подробных сведений о генезисе ледового тела в некоторые годы из залежи отбирались пробы для анализа изотопного состава воды на масс-спектрометре Delta-V. Также в 2018 году из льда и вмещающих отложений были отобраны образцы для определения содержания метана CH4 в многолетнемёрзлых грунтах. Результаты этих исследований представлены в публикации Беловой Н.Г. с соавт. ^[21].

Материалом для настоящей работы послужили полевые описания обнажений пластового льда в термоцирке в 7 км к югу от с.Лаврентия, а также многочисленный фотографический материал, собранный в результате полевых работ 2018-2021 годов.

Результаты

Морфологический анализ залежи пластового льда был выполнен по данным описаний и фотографическому материалу, которые были получены в результате полевых работ в 2018-2021 гг. Залежь расположена в термоцирке в 7 км к югу от села Лаврентия (65°31’45,8’’ с.ш., 170°58’57,4’’з.д). Термоцирк врезан в водно-ледниковую равнину раннеплейстоценового возраста ^[27].

Залежь была впервые обнаружена научной группой под руководством Маслакова А.А. в 2018 году ^[20], в 7 км к югу от с. Лаврентия. Морфологически она представляла собой термоцирк, состоящий из двух кулуаров (термокаров): северного и южного (Рис. 2а, б). Высота днища термоцирка – 10 м над уровнем моря. Северный кулуар имел большие размеры, чем южный. Его ширина составляла 15 м, длина превышала 30 м. Высота задней стенки северного кулуара была около 1 м. Тыловая часть имела V-образный профиль, что может свидетельствовать о достаточно быстрой регрессивной эрозии в северном термокаре. Днище кулуара сложено льдом, перекрытым слоем переувлажнённых осадков делювиального шлейфа, мощностью 20 см, и имеет уклон около 20 градусов в сторону моря. Южный кулуар имел иную морфологию: до 25 м в ширину, 15 м в длину, а высота задней стенки составляла около 3 м. В южном кулуаре не вскрыты крупные пластовые льды. Его задняя стенка сложена сильнольдистыми отложениями с фрагментарными линзами льда, мощностью менее 1 м. Основное тело залежи в 2018 году было сосредоточено в северном кулуаре, в его задней стенке и в орографически правом борту. Видимая мощность льда в тыловой части кулуара составляла около 2

Рисунок 2. Обнажение залежи пластового льда в 2018 г.: А – северный кулуар; Б – южный кулуар; В – правая (южная) стенка северного кулуара и перемычка между кулуарами (фото Н.Г. Беловой); Г – структура льда залежи. Жёлтым пунктиром обозначен контур пластовой залежи.

Подробное описание льда изложено в работе Маслакова с соавт. ^[20]. Пласт льда мощностью от 2 до 5 м перекрыт пачкой серых и бурых суглинков толщиной 2-3 метра. В перекрывающих отложениях наблюдаются включения валунов и гальки. Верхний контакт залежи у задней стенки термокара, вероятно, первичный, согласный с вмещающими отложениями. Это подтверждается субпараллельностью ледяной залежи, прослоя гравия и линзы сегрегационного льда в перекрывающих отложениях. По мере продвижения от тыловой части кулуара к его устью верхний контакт ледового тела меняется на вторичный. Лёд имеет слоистую текстуру за счёт суглинистых прослоев толщиной от 5 мм до 5 см, и практически не содержит воздушных включений (Рис. 2г). Во льду встречаются одиночные включения окатанного обломочного материала, диаметром до 20 см. Грунтовые прослои в залежи дислоцированы до 35 градусов к плоскости горизонта.

В 2019 году задняя стенка северного термокара заплыла, однако в его южном (орографически правом) борту обнажился мощный пласт льда (Рис. 3). Ширина залежи составляла 15-20 м, высота – около 6 м. Перекрывающие отложения имели мощность до 3 м и состояли из несортированного серо-коричневого суглинка с включением обломочного материала. Текстура ледового тела также была слоистая за счёт суглинистых прослоев мощностью от 5 мм до 5 см. Отдельные слои льда, разделённые прослоями суглинка, были выдержаны по простиранию и практически не дислоцированы. Крутизна слоёв в плоскости, перпендикулярной обнажению, составляла до 50 градусов. Лёд менее загрязнён включениями обломочного материала, по сравнению с обнажением 2018 года. Задняя стенка южного кулуара в 2019 году была частично бронирована чехлом протаявших отложений, залежь обнажалась фрагментарно (Рис. 3а).

Рисунок 3. Обнажение залежи пластового льда в 2019 г.: А – северный кулуар (южная стенка); Б – южный кулуар.

К 2020 году высота южной (орографически правой) стенки северного кулуара сократилась до 3 м в высоту (Рис. 4а). Форма ледяного тела изменилась: усилилась дислоцированность слоёв и уменьшились вертикальные и горизонтальные размеры обнажения. В текстуре льда проявились выдержанные прослои грунта и ледогрунта мощностью до 10 см. Перекрывающие отложения имели мощность 1,5 – 2 м и состояли из несортированного серо-коричневого суглинка с включениями обломочного материала. Высота днища северного кулуара увеличилась до 15-20 метров над уровнем моря. Южный кулуар увеличился в размерах и приобрёл подковообразную форму шириной 30 м, длиной 50 м и высотой задней стенки до 5 м (Рис. 4б). Мощность перекрывающих отложений в южном кулуаре варьировала от 0,7 до 2,5 м, увеличиваясь в сторону моря. В перекрывающем слое суглинки тёмно-серые, с включениями гравия, вертикальной и горизонтальной линзовидной криогенной текстурой (лёд заполняет трещины между плитчатыми отдельностями суглинка), иногда корковой, если в породе большое скопление гравия. В задней стенке южного термокара вскрылось ледяное тело. Протяжённость ледяной залежи составляет 15-20 м, мощность – до 5 м. Пластовая залежь представлена чистым, дислоцированным слоистым льдом. Слои мощностью от 0,2-0,3 до 20 см, они прослеживаются по горизонтали. Слоистость подчеркивается за счет прослоев серого суглинка с включениями щебня диаметром 0,2-3,0 см. Иногда слоистость нарушена включением слегка окатанных валунов диаметром до 30 см (Рис. 4в). Встречаются прослои бесструктурного пузырчатого льда (Рис. 4г). Граница с вышележащими отложениями четкая, основание пласта перекрыто осыпью ^[14].

Рисунок 4. Обнажение залежи пластового льда в 2020 г.: А – северный кулуар (южная стенка); Б – южный кулуар (фрагмент); В – вытаивание обломков из залежи; Г – обнажение прослоя мутного льда. Жёлтым пунктиром выделены границы пластовой залежи.

В 2021 году обнажение льда в северном термокаре оказалось полностью перекрыто чехлом талых отложений. В южном термокаре высота обнажения, включающего ледяную залежь, составила до 5-6 метров в высоту. Увеличилась дислоцированность слоёв льда в залежи. Как и в 2020 году, было обнаружено включение мутного пузырчатого льда длиной 4 м, шириной 1 м, вклинивающегося в слои пластовой залежи (Рис. 5). Возросла крутизна стенки обнажения приблизительно с 50 до 80 градусов.

Рисунок 5. Обнажение южной (орографически правой) стенки южного термоцирка в 2021 г., включающее интрузию мутного льда.

В целом, за четырёхлетний период наблюдений морфология залежи пластового льда в 7 км к югу от с. Лаврентия претерпела значительные изменения. Происходило поочерёдное вскрытие обнажений льда в северном и южном кулуарах, мощность залежи варьировала в пределах 2-6 метров, менялась степень дислоцированности ледяных прослоев. А также были обнаружены прослои льда, отличающегося по текстуре от доминирующего в залежи.

Обсуждение

Изменение морфологии обнажения

За четырёхлетний период наблюдений менялась как локализация выхода ледяной залежи на поверхность, так и её морфология. В 2018-2020 гг. лёд обнажался в южной стенке северного термокара, а в 2020-2021 гг. – в южной и задней стенках южного термокара. Ширина залежи варьировала от 5 м в 2018 году до 15-20 м в 2019 и 2021 гг. Мощность льда также менялась в северном кулуаре от 2 м в 2018 до 6 м в 2019, а в южном кулуаре она оставалась стабильной в 2020 и 2021 году – около 5 м. Подобная изменчивость формы залежи и мест её обнажения свидетельствует о сложной форме ледового тела, о его неравномерном залегании.

В отличие от формы залежи текстура льда за период наблюдений оставалась практически неизменной. Залежь состояла из отдельных слоёв льда, мощностью 0,5 до 20 см, разделённых прослоями суглинистых включений сопоставимой толщины. Лёд преимущественно чистый, с редкими включениями окатанного обломочного материала диаметром до 30 см. Однако в последние 2 года в южной части термоцирка обнаруживались слои льда иной морфологии: пузырчатый неслоистый лёд. Согласное залегание подобного прослоя пузырчатого белого льда, вызывающее деформации слоёв стекловидного льда вокруг пузырчатого, позволяют предположить его инъекционный генезис, тем более, что подобные структуры были уже описаны Ш.Ш. Гасановым ^[9] и охарактеризованы им как инъекционные льды.

Морфология термоцирка также изменилась за 4 года наблюдений. Он так и остался разделён на два кулуара. Задняя стенка южного кулуара отступила на 50 м, а задняя стенка северного кулуара отступила на 50-60 м, в основном за счёт активного разрушения боковой стенки перемычки. Останец, разделяющий два кулуара, за период наблюдения уменьшился по площади примерно вдвое.

Предполагаемый генезис залежи

Положение залежи в отложениях ледникового генезиса (водно-ледниковая равнина раннеплейстоценового возраста), а также слоистость льда и включения обломочного материала во льду могут свидетельствовать о погребённом генезисе рассматриваемой залежи. Однако, В.Ф. Иванов ^[28] показал, что сохранение раннеплейстоценового погребённого льда в отложениях практически невозможно из-за глубокого протаивания мерзлоты в Валькатленскую эпоху (MIS 5e).

По предположению Ш.Ш. Гасанова ^[9] подобные подземные льды в раннеплейстоценовых отложениях, вероятно, сформированы при их эпигенетическом промерзании во время последнего криохрона (30-11 т.л.н). По его мнению, генезис пластовых льдов Восточной Чукотки преимущественно внутригрунтовый (автохтонный). Если придерживаться классификации подземных льдов Восточной Чукотки Ш.Ш. Гасанова ^[9], то рассматриваемую залежь пластового льда можно отнести к повторно-инъекционным льдам. Подтверждением этого является слоистость льда за счёт прослоев грунта, отмечаемая Гасановым для льдов подобного генезиса, а также наличие согласно залегающего элемента, состоящего из молочного льда с большим включением пузырьков, который вызывает деформации выше и нижележащих слоёв прозрачного слоистого льда. Подобные включения, вероятно, имеют инъекционный генезис и сформировались позже основного ледяного тела.

Гипотезы о внутригрунтовом генезисе пластового льда в рассматриваемом термоцирке придерживается и Ю.К. Васильчук с соавт. ^[14]. Он предполагает, что ледовое тело в термоцирке в 7 км к югу от с.Лаврентия сформировалось по конжеляционному или сегрегационно-конжеляционному типу.

Однако повторно-инъекционная гипотеза формирования льда может быть оспорена несколькими фактами. Во-первых, малое количество включений инъекционного льда, а также выдержанная слоистость, в 2020 году практически не осложнённая складчатостью.

Наличие слоистости во льду также можно объяснить периодической сегрегацией льда, где один прослой соответствует одному сегрегационному циклу. А деформации слоёв, вероятно, могли быть вызваны последующими интрузиями пузырчатого бесструктурного льда.

Более определенное заключение о возрасте пласта можно будет сделать после датирования органического материала из пластового льда, а о генезисе после изучения палиноспектров.

Механизм обнажения пластовых льдов

Расположение залежи льда в днище старого крупного термоцирка (Рис. 6), а также тонкий слой несортированных валунных суглинков в качестве перекрывающих отложений, залегающих несогласно с кровлей залежи, позволяют предположить, что первоначальные размеры ледового тела были гораздо больше, а его вытаивание происходит стадийно. Первоначально протаивает верхняя часть ледяного тела, после чего формируется термоцирк, а затем нижележащий лёд бронируется перекрывающей массой делювиального чехла, после чего процесс комплексной деструкции и вытаивания льда останавливается до следующего периода потепления и увеличения глубины сезонноталого слоя. Такой циклический процесс может происходить несколько раз с перерывом в несколько десятков лет.

Рисунок 6. Панорама древнего термоцирка в 2018 г., в днище которого вскрывается обнажение пластовой залежи. Жёлтым пунктиром выделена бровка термоцирка.

Потенциальные направления дальнейших исследований

Потенциальные направления дальнейших исследований пластовых льдов на территории Восточной Чукотки подразделяются на четыре группы. Во-первых, для определения мощности ледяного тела, для вскрытия его подошвы и описания подстилающих отложений необходимо проведение кернового бурения, которое позволит получить сведения, необходимые для понимания механизма формирования пластового льда. Во-вторых, для подтверждения или опровержения сегрегационной гипотезы формирования ледового тела необходимо произвести тщательный послойный отбор образцов для комплексного анализа (изотопный, геохимический и структурный). В-третьих, необходимо провести палинологические исследования вмещающих отложений и внутриледовых включений с целью подтверждения какой-либо гипотезы формирования залежи. Наконец, для установления времени формирования льда желательно провести ряд прямых датировок.

Заключение

Пластовые льды являются уникальными геологическими образованиями на территории Восточной Чукотки. В данной работе проведён анализ морфологии и структуры залежи льда, обнажавшейся с 2018 по 2021 гг., прослежена динамика отступания бровок термоцирка и эволюция морфологии обнажения. Определено изменение мощности и простирания пластового льда.

По результатам работы можно сделать некоторые выводы:

1. По результатам полевых наблюдений за 2018-2021 гг. изучаемый термоцирк активно развивался: его задняя стенка в обоих кулуарах отступила на 50-60 метров, увеличив площадь термоцирка в 3-4 раза. Скорость отступания бровки термоцирка в течение 4 лет была равномерной.

2. Форма обнажающейся залежи пластового льда изменялась с течением времени: в 2018 г. основная её часть вскрывалась в северном кулуаре, в последующие годы залежь вскрывалась преимущественно в северном кулуаре со стороны перемычки (южный борт) и в южном кулуаре. Ширина залежи варьировала от 5 м в 2018 году до 15-20 м в 2019 и 2021 гг. Мощность льда также менялась в северном кулуаре от 2 м в 2018 г. до 6 м в 2019 г., а в южном кулуаре она оставалась стабильной в 2020-2021 гг. – около 5 м.

3. Текстура льда в теле залежи за период наблюдений оставалась практически неизменной. Залежь состояла из протяжённых слоёв льда, мощностью 0,5 до 20,0 см, разделённых прослоями суглинистых включений мощностью от нескольких миллиметров до 10 см. Лёд преимущественно чистый, с редкими включениями окатанного обломочного материала диаметром до 30 см. В 2020-2021 гг. в южной части термоцирка обнаруживался клин матового, пузырчатого, неслоистого льда, вероятно, инъекционного происхождения.

4. По всей видимости, наблюдаемый пластовый лёд является частью более крупного ледяного тела. Это свидетельствует о цикличности процесса вытаивания ледяной залежи в периоды более глубокого.

5. Вероятно, залежь может иметь гетерогенный сегрегационно-инъекционный генезис.

6. Уточнение возраста и однозначное определение генезиса пластового льда требует дальнейших исследований (керновое бурение, структурный, изотопный и химический анализ, палинологические исследования и датировки льда и вмещающих отложений).