Как это ни покажется странным, «классическая» геология до сих пор практически не занимается изучением подземных льдов как составной части земной коры, или литосферы. Между тем скопления льда образуют в горных породах крупные, горизонтально залегающие пласты, линзообразные залежи толщиной 40 м, вертикально ориентированные жилы протяженностью до 50 м и более! Толщи льдистых мерзлых отложений проникают в недра Земли на глубину 300—400 м. Площадь их распространения, как уже сказано, огромна, а в недавнем геологическом прошлом была еще больше.
К настоящему времени геологическая наука распалась на ряд научных дисциплин. Одна из них — литология изучает состав, строение и формирование осадочных горных пород. Осадочные горные породы образуются путем выпадения в осадок твердых частиц под действием силы тяжести из среды, в которой они переносились: воздуха, воды, льда. В водной среде осаждение твердых частиц осуществляется также химическим и биохимическим (с участием живых организмов) путями. Осадочные горные породы подразделяются по происхождению (генезису) на несколько типов, и прежде всего на морские и континентальные. Разнообразие последних особенно велико: склоновые, речные, ледниковые, озерные и т. д. К осадочным горным породам относятся и такие органогенные накопления, как болотные торфяники, хотя они не «выпадают», не осаждаются из какой-либо среды, а накапливаются на месте путем отмирания растений. Также к осадочным горным породам относят продукты разрушения, «выветривания» других горных пород: вулканических, метаморфических, более древних осадочных — так называемых «кор выветривания», которые, как и торфяники, образуются на месте, а не осаждаются из водной, воздушной или другой среды. В суровых климатических условиях в зоне распространения мерзлоты на той или иной стадии ее формирования все типы неуплотненных отложений и уплотненные осадочные горные породы промерзают и в них образуются подземные льды. Следовательно, подземный лед — часть осадочных горных пород, сформированных в специфических условиях криолитозоны, т. е. зоны особого осадочного породообразования с участием в этом процессе природных льдов. Возникающий при промерзании осадочных накоплений подземный лед иногда до неузнаваемости меняет их облик, состав и строение. Количество новообразованного минерала — льда при этом может достигать 50%, а нередко 70—80 и даже 90% объема горных пород!
Традиционно сложилось так, что изучением причин и способов возникновения подземного льда, его состава, строения, свойств, взаимосвязи с вмещающими отложениями занимается наука мерзлотоведение, или геокриология. Вместе с тем совершенно очевидно, что те же проблемы рассматривает и литология, призванная изучать состав, строение и условия формирования осадочных горных пород в целом. Но в криолитозоне помимо толщ с подземными льдами существуют огромные скопления чистого льда, также отрицательно-температурной горной породы осадочного происхождения, — это ледники. Ледники возникают вследствие осаждения из воздуха твердых частиц — снежинок и их последующего преобразования: уплотнения, перекристаллизации. Налицо все стадии формирования осадочных горных пород: осаждение твердых частиц под действием силы тяжести из воздушной среды и их последующее преобразование, называемое диагенезом осадков. Иногда говорят о ледниковом льде как метаморфической горной породе, т. е. до неузнаваемости измененной осадочной породе, испытавшей процесс перекристаллизации вещества и динамического воздействия (динамометаморфизма). С этим утверждением согласиться трудно, поскольку метаморфические горные породы возникают на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур. Но во всяком случае, как своеобразную осадочную горную породу ледниковый лед, безусловно, можно рассматривать. Ледники, в том числе состав, строение, свойства льда, изучает наука гляциология. В природе существуют еще льды как сезонные и устойчивые покровы водоемов. Самостоятельной науки, их изучающей, нет. Их исследуют и гляциологи, и геокриологи, и океанологи.
Ледники и ледовый покров морей представляют собой подвижные образования, которые переносят в себе или на себе, а затем после таяния отлагают каменный, песчаный и пылевато-глинистый материал. Вопросами формирования ледовых и ледниковых отложений в числе прочих занимается четвертичная геология — наука о самых молодых горных породах Земли, образовавшихся на заключительных этапах ее геологической истории. Она же изучает состав, строение, условия и историю формирования мерзлых осадочных отложений с подземными льдами. Все перечисленные выше научные дисциплины объединяет одно — природные льды, но каждая из них познает различные типы льдов или отдельные их стороны. Вместе с тем существует один очень важный аспект, касающийся всех природных льдов криосферы, — геологические последствия самого факта их существования или деятельности. Потребностями науки и практики было вызвано к жизни новое научное направление, находящееся еще в стадии становления, — криолитология.
Криолитология — пограничная научная дисциплина, зарождающаяся на стыке: литологии — науки об осадочных горных породах; геокриологии (мерзлотоведение) — науки о мерзлых горных породах; гляциологии — науки о ледниках и четвертичной геологии — науки о наиболее молодых горных породах Земли. Криолитология призвана разрабатывать методы криолитологических исследований, изучать состав, строение, свойства мерзлых горных пород и в конечном итоге создавать теорию формирования осадочных горных пород, или, как говорят, «осадочного процесса» в криолитозоне, зоне распространения отрицательно-температурных слоев и природных льдов литосферы. Этот процесс назван криолитогенезом. Особой задачей криолитологии является разработка учения о криогенных формациях — естественно-исторических комплексах мерзлых осадочных пород. Существует мнение, что криолитология должна изучать только подземные льды и вопросы, связанные с их возникновением и исчезновением, т. е. промерзанием и оттаиванием горных пород. Комплекс этих процессов называется одними авторами криогенезом, другими криолитогенезом. Однако против данного понимания задач криолитологии и толкования криолитогенеза следует решительно возразить. Нельзя понять процессы возникновения и исчезновения, познать закономерность состава и строения подземных льдов, если не исследовать проблему формирования содержащих их осадочных горных пород в целом. И состав, и строение, и способ образования подземных льдов будут существенно меняться в зависимости от того, как происходили накопление и преобразование содержащих их отложений.
Схема, иллюстрирующая исходные научные дисциплины («родители») криолитологии и ее основные задачи
Криолитогенез, или комплекс процессов формирования осадочных горных пород в криолитозоне, может быть подразделен на следующие стадии: гипергенеза, седиментогенеза, диагенеза и эпигенеза. Стадия седиментогенеза, в свою очередь, распадается на две подстадии: перенос продуктов выветривания различными агентами (ветром, водой, льдами) и осаждение твердых частиц — осадконакопление.
Стадии криолитогенеза — процесса осадочного породообразования в криолитозоне
Все стадии криолитогенеза протекают специфично. При разрушении плотных горных пород (стадия гипергенеза) активно действуют процессы криогенного выветривания. Эти процессы приводят к уменьшению объема горных пород при охлаждении и расширению при нагревании, вследствие чего в монолитных массивах возникают трещины. В них попадает вода, которая при замерзании увеличивает свой объем на 9%, расширяя трещины. Кроме того, при замерзании воды в трещине сверху образуется ледяная пробка и ниже ее в замкнутом объеме вода находится под действием огромного давления. Следствием является расклинивающий эффект замерзающей воды, т. е. льда.
Таким образом, на стадии разрушения горных пород в криолитозоне активно действуют во взаимосвязи различные по характеру криогенные процессы. В результате даже массивы очень плотных горных пород — песчаников, гранитов, базальтов и других превращаются сначала в глыбовые, а затем щебнистые и дресвянистые развалы. Параллельно с этим на поверхности крупных обломков происходят физико-химические и биохимические процессы, в результате которых образуется мелкоземистый материал, состоящий из песчанистых, пылеватых и глинистых частиц. Достаточно активное протекание этих процессов выявлено непосредственными наблюдениями над поверхностью скал в «оазисах», т. е. на лишенных льдов участках, в Антарктиде, в высокогорьях Тянь-Шаня и других районах.
Характерная особенность выветривания горных пород в криолитозоне — накопление в разрушающемся слое пылеватых (алевритовых) частиц размером от 0,05 до 0,005 мм. Экспериментальные исследования и натурные наблюдения показали, что частицы именно этой размерности наиболее отвечают термодинамическим и физико-химическим условиям зоны разрушения, выветривания мерзлых толщ. Крупные частиц» все более и более дробятся, пока не достигнут указанной величины, а более мелкие глинистые слипаются, коагулируют, образуя устойчивые агрегаты. В конечном итоге на поверхности мерзлых горных пород в криолитозоне, особенно рыхлых, возникает слой, состоящий преимущественно из пылеватых частиц, называемый покровными лёссовидными суглинками. Они широко развиты на равнинах Севера, где образуют сплошные плащеобразные покровы толщиной до 5 м на водоразделах, склонах, морских и речных террасах. Они тесно увязаны с формами мерзлотного рельефа, так называемым «блочным рельефом», состоящим из чередующихся выпуклых четырехугольных блоков со сглаженными краями и разделяющих их понижений — межблочий. Совершенно очевидно, что разрушение, выветривание горных пород в криолитозоне очень своеобразный процесс, приводящий к образованию специфических горных пород. Также своеобразно проходят остальные стадии и подстадии литогенеза в криолитозоне.
Вслед за разрушением массивов горных пород начинается перенос продуктов разрушения. Они движутся сначала по склонам, затем попадают в реки, на ледники, транспортируются ими и в конце концов накапливаются в конечных водоемах стока — озерах или морях, где и преобразуются, проходя стадию диагенеза. В транспортировке обломочных частиц постоянно участвует лед, как поверхностный — морской и ледниковый, так и подземный. При сезонном летнем оттаивании мерзлых толщ переувлажненные приповерхностные грунты текут и скользят (съезжают) по льдистой кровле еще не оттаявших грунтов, как по ледяной горке. Этот процесс называется течением почвы, или солифлюкцией. Он имеет развитие и в областях сезонного, зимнего промерзания, например в Подмосковье, но наиболее активно действует в зоне распространения постоянно мерзлых толщ. Ледники, переносящие огромное количество каменных обломков и более мелких частиц, представляют собой специфическое порождение криолитозоны. Морские, озерные, речные льды также активно переносят обломочные частицы, на них и в них попадающие.
Накопление отложений вследствие влияния различных видов льдов в криолитозоне происходит крайне своеобразно. Здесь нарушаются все известные для других типов литогенеза законы осадконакопления! Во всех учебниках и руководствах по геологии осадочных горных пород утверждается, например, что морские глинистые отложения, накапливающиеся на относительно больших глубинах вне зоны влияния волнений, отличаются хорошей сортированностью и горизонтальной слоистостью. Крупнейший специалист по осадочным горным породам академик Н. М. Страхов писал в своем капитальном труде по основам теории литогенеза, что в море процессы осадочной дифференциации вещества достигают максимального выражения, конечной стадии, а следовательно, здесь, в принципе, не может быть плохо сортированных отложений. Однако это ставшее классическим положение геологии оказалось неприемлемым для условий полярных холодных морей. Здесь на широких пространствах накапливаются неслоистые, слабосортированные глинисто-суглинистые отложения с включениями крупных и мелких каменных обломков. Валуны, глыбы, щебень, галька, гравий попадают на морское дно, вытаивая из плавучих льдин и айсбергов. Из них же на дно поступает несортированный мелкозем. Галька и гравий найдены на дне даже в центральной части Северного Ледовитого океана. Если не учитывать этих особенностей формирования морских отложений в криолитозоне, то не разобраться и в происхождении, и в условиях формирования находящихся в них подземных льдов. Например, нередко специфические ледово-морские отложения принимаются за ледниковые, а скопления подземных льдов в них — за остатки ледников. Это одна из типичных ошибок тех исследователей, которые изучают не закономерности формирования самих отложений, а только подземные льды в них и не рассматривают криолитогенез как общий процесс осадочного породообразования в криолитозоне. Неверные методологические предпосылки влекут за собой и ошибочные научные выводы.
Одна из наиболее ярких и специфических черт формирования отложений в криолитозоне — их промерзание и льдовыделение в них. Оба эти процесса называют криогенезом. Он проявляется на различных стадиях осадочного породообразования, вследствие чего меняются общая льдистость отложений, характер ледяных включений, их распределение по толщам и т. д. Горные породы могут промерзать на стадии их разрушения — выветривания, т. е. на самой начальной стадии процесса формирования осадочных горных пород, называемой криогипергенезом. Дальнейшее промерзание осуществляется на стадиях переноса и лереотложения осадочного вещества на склонах, в речных долинах, на поверхности и у края ледников.
Накопление отложений и их промерзание могут происходить параллельно друг другу, практически синхронно. Такой способ промерзания отложений называется сингенетическим («син» — в переводе с греческого — вместе, «генез» — происхождение). Этим способом могут промерзать склоновые, эоловые, ваттово-лайдовые, дельтовые и речные пойменные отложения. Мерзлые отложения, формирующиеся в результате сингенетического промерзания, характеризуются равномерно высокой льдистостью и преимущественно горизонтальными ледяными прослойками различной толщины. Стадия, на которой происходит одновременное накопление и промерзание отложений, называется криосингенезом.
В стадию литогенеза, называемую диагенезом, происходит превращение жидкого, неуплотненного осадка в достаточно твердую осадочную горную породу. Влагонасыщенные грунты уплотняются и обезвоживаются, в них происходят глубокие геохимические изменения, образуются новые диагенетические минералы. Способ промерзания отложений на стадии диагенеза называется диагенетическим. Этим способом могут промерзать следующие виды отложений: русловые небольших рек; озерные, лагунные небольших водоемов; прибрежно-морские мелководий. Мерзлые отложения характеризуются высокой льдистостью и частыми прослойками льда, образующими наклонную сеть. Диагенетическое промерзание происходит на стадии, называемой криодиагенезом.
Наконец, промерзанию подвергаются уже прошедшие стадию диагенеза осадки, превратившиеся в уплотненные осадочные горные породы. Промерзание и образование льда в этом случае — наложенный постдиагенетический, т. е. эпигенетический, процесс («эпи» — на, при, возле). Эпигенетическим способом могут промерзать следующие отложения: речные русловые; озерные, лагунные крупных водоемов; прибрежно-морские приглубых берегов; морские глубоководные; морены, вытаявшие из ледников; древние горные породы. Термин «эпигенез» в геологии обозначает вторичные процессы, ведущие к любым последующим изменениям горных пород после их формирования. Поэтому стадия промерзания после завершения формирования осадочных горных пород названа криоэпигенезом.
В зависимости от того, на какой стадии общего литогенеза происходит промерзание отложений, т. е. криогенез, коренным образом меняются их криогенное строение, общая льдистость, ее характер, расположение и размеры ледяных прослойков и т. д.
Источник: И.Д. Данилов. Подземные льды. Издательство «Недра». Москва. 1990