Следы былых подземных льдов

После полного или хотя бы частичного протаивания льдистых мерзлых толщ, а тем более монолитных ледяных тел возникают характерные образования как в отложениях, так и в рельефе земной поверхности.

Посткриогенные структурные образования в горных породах и рельефе

В отложениях это прежде всего так называемые грунтовые псевдоморфозы по вытаявшим ледяным жилам, строению которых посвящено много работ советских и зарубежных мерзлотоведов, геологов и географов. Замещение ледяных жил грунтом происходит в двух случаях. Во-первых, когда полностью протаивают (деградируют) мерзлые толщи в том или ином регионе. Псевдоморфозы, образовавшиеся таким путем, распространены далеко за пределами современной криолитозоны. Во-вторых, когда ледяные жилы вытаивают локально, а основные массивы мерзлых горных пород вокруг них остаются без изменения. Этот процесс происходит и в настоящее время в областях распространения мерзлых толщ, например, под отепляющим воздействием водотоков, озер. Можно проследить разные стадии заполнения грунтом вытаивающей ледяной жилы. Если сила отепляющего воздействия водотока или водоема невелика, то ледяные жилы протаивают не полностью. В этом случае в верхней части структуры можно наблюдать грунтовые псевдоморфозы, а внизу, на их продолжении — остатки невытаявших ледяных жил. Происхождение и способ образования грунтовых псевдоморфоз здесь очевидны. Чаще даже в области современной криолитозоны наблюдаются псевдоморфозы по полностью вытаявшим ледяным жилам.

Изучение грунтовых псевдоморфоз по вытаявшим ледяным жилам имеет важное научное и методическое значение, поскольку их находят сегодня за сотни и даже тысячи километров от южных границ современной криолитозоны. Согласно результатам исследований грунтовых псевдоморфоз мы можем утверждать, что в недалеком геологическом прошлом мерзлые толщи были распространены до южных пределов Русской равнины, Западно-Сибирской низменности, охватывали Северный Казахстан. В последнее время эти исследования широко используются при восстановлении климата и других компонентов природных обстановок прошлого. На основании изучения грунтовых псевдоморфоз выделяют фазы похолоданий и потеплений климата, наступаний и отступаний моря, поднятий и опусканий (колебаний) суши и т. д. Поэтому изучение псевдоморфоз — важная составная часть мерзлотных и в целом геологических исследований.

Общими отличительными чертами грунтовых псевдоморфоз по бывшим ледяным жилам являются признаки, свойственные самим жилам, а также возникшие при их вытаивании и заполнении грунтом образовавшегося полого пространства. Как и ледяные жилы, псевдоморфозы по ним имеют полигональное расположение в плане, близкие размеры полигональной решетки, отгибание слоев вмещающих отложений на контактах не только вниз, но и вверх. В процессе вытаивания ледяных жил и выполнения образовавшегося пространства происходят проседание, обрушение горных пород вокруг, а также облекающее выполнение жил слоями более молодых отложений. Как и ледяные жилы, псевдоморфозы по ним могут иметь форму клина и языка. Такую же форму, однако, могут иметь и другие образования.

Среди них в первую очередь следует назвать первично-грунтовые жилы. Их образование связано с процессом морозобойного растрескивания грунтов, но не с вытаиванием ледяных жил. Первично-грунтовые жилы возникают не только в областях распространения мерзлых толщ, но и в областях глубокого зимнего промерзания. Становится понятным, сколь важно правильно отличать псевдоморфозы по ледяным жилам от похожих на них первично-грунтовых жил. Кроме того, близкую внешнюю форму имеют клиновидные жилы, возникающие при процессах обезвоживания и уплотнения водных бассейновых отложений в условиях дна водоемов. Это еще более усложняет задачу «узнавания» псевдоморфоз по ледяным жилам, которые являются надежным свидетельством былого наличия постоянно мерзлых толщ.

По строению и особенностям формирования псевдоморфозы подразделяют на две группы: образовавшиеся в условиях суши, наземные (субаэральные), и образовавшиеся в подводных, донных условиях (субаквальные). Наземные, или субаэральные, псевдоморфозы достоверно установлены в торфяниках, где наряду с ними присутствуют еще не вытаявшие ледяные жилы. Процесс их вытаивания и формирования псевдоморфоз здесь можно наблюдать на разных стадиях развития. Возникающие псевдоморфозы имеют форму четкого клина. В них присутствует торф вышележащих горизонтов, а также оторфованные озерные глины и суглинки, как правило, подстилающие торф. Размеры псевдоморфоз соответствуют размерам наследуемых ими эпигенетических ледяных жил, т. е. обычно невелики. Вертикальная протяженность составляет 2—3 м, в отдельных случаях — 5 м, поперечник в верхней, наиболее расширенной части — 1,5—2,5 м.

Внутреннее строение псевдоморфоз, образование которых происходило в наземных условиях, весьма разнообразно. Слои вышележащих отложений внедряются в просадку монолитным телом, полого изгибаясь выполняют ее и образуют хаотическую смесь с отложениями, расположенными по бокам. Иногда слои в просадке залегают круто наклонно или почти вертикально, нередко строение псевдоморфоз представляет собой комбинацию перечисленных случаев. При приближении к псевдоморфозам горизонтальные слои залегающих по бокам от них отложений загибаются вниз, реже — вверх, иногда в верхней части вниз, а в нижней — вверх. Слоистые отложения по бокам от псевдоморфоз разбиты трещинами и осложнены сбросами, а в ряде случаев совсем не деформированы. Приведенная характеристика наземных псевдоморфоз показывает всю сложность и разнообразие их строения, что очень затрудняет поиски их отличительных черт. Наиболее достоверным признаком, позволяющим с уверенностью говорить, что данная грунтовая структура представляет собой псевдоморфозу, образованную в наземных условиях, является присутствие в ней торфа, почвы или остатков наземных растений.

Подводные, или субаквальные, псевдоморфозы возникают под отепляющим воздействием воды при достаточно длительном затоплении низменных территорий или под дном постоянных водоемов. На периодически заливаемых поймах рек, прибрежных морских и озерных лайдах по мере вытаивания полигональной в плане сети ледяных жил образуются глубокие канавообразные понижения, также полигонально расположенные. Они имеют глубину 1—3 м, ширину от 1 до 4 м, поперечник образуемых ими полигонов соответствует размерам полигональной сети ледяных жил. По мере их вытаивания дно канав выполняется, облекается слоями вновь накапливающихся отложений. Возникают структуры, получившие в специальной литературе названия «структур облекания» или «структур проседания». При приближении к ним горизонтальные слои пойменных и лайдовых отложений обычно загибаются вниз в соответствии с облекающим характером, слоистости в самих структурах, но иногда сохраняется их первичный загиб вверх, характерный для контактов с ледяными жилами.

Наблюдения показывают, что протаивание ледяных жил и образование грунтовых псевдоморфоз по ним происходят и при накоплении речных отложений под дном русла, а также под дном мелководных бассейнов типа озер, лагун, эстуариев. При этом возникают просадки характерной клиновидной формы с расширенной верхней и узкой, вытянутой нижней частями.

В толщах речных, мелководных бассейновых эстуарных отложений грунтовые клиновидные структуры располагаются на разных глубинах, ярусами. Отсюда делается вывод, что та или иная территория осушалась, промерзала, затем происходило потепление климата, мерзлота исчезала и вместо ледяных жил возникали грунтовые псевдоморфозы по ним. Затем процесс повторялся: территория покрывалась водами, шло накопление талых водных отложений, водоем осушался, отложения его промерзали, наступало потепление климата, происходило вытаивание ледяных жил (в связи с полной деградацией мерзлоты) и т. д. Сколько грунтовые псевдоморфозы образуют ярусов по вертикальному разрезу, столько выделяется эпох потеплений и похолоданий климата, наступаний и отступаний морских или озерных водоемов.

Однако это далеко не всегда так. Например, при накоплении мощных толш речных отложений вытаивание ледяных жил и образование грунтовых псевдоморфоз по ним происходит в ходе самого этого процесса, вследствие блуждания русла от одного борта долины к другому. На фоне медленного опускания территории русло вернется к тому борту долины, от которого оно ушло, но на новом, более высоком уровне, ибо за это время накопится слой отложений определенной толщины. На пойме за это время сформируются ледяные жилы. Когда русло вернется, оно размоет только верхнюю часть накопленных отложений, а нижняя — с нижними окончаниями ледяных жил, частично или полностью протает. Протают и ледяные жилы, заместившись грунтовыми псевдоморфозами. Таким образом, протаивание ледяных жил и образование псевдоморфоз по ним происходили в результате процесса формирования речных отложений без изменения при этом климата, т. е. потеплений и похолоданий не было.

Образование псевдоморфоз будет происходить без потепления климата, если территория суши начнет заливаться водами наступающего моря, а ледяные жилы будут вытаивать под дном водоема. Отсюда следует, что сам по себе факт наличия грунтовых псевдоморфоз по ледяным жилам не есть еще свидетельство потепления климата и полного протаивания толщ мерзлых горных пород, как это нередко принято считать. К восстановлению древних климатических и мерзлотных обстановок следует относиться в свете всего сказанного с большей осторожностью.

В рельефе земной поверхности следы былого присутствия подземных льдов и их вытаивания проявляются в его сильном преобразовании. Вытаивание подземных льдов происходит главным образом под отепляющим воздействием воды: текучих вод рек, ручьев; стоячих вод озер, лагун, морей. Все процессы, связанные с вытаиванием подземных льдов, подразделяются на три группы: термоэрозию, термоабразию и термокарст. Термин «эрозия» происходит от латинского слова «эрозио», что означает размывание, разъедание, поэтому под ним понимают разрушение горных пород водным потоком. Термин «термоэрозия» предполагает, что помимо разъедающего, разрушающего воздействия водный поток оказывает термическое, отепляющее воздействие на мерзлые льдистые горные породы, приводя к их оттаиванию. «Абразия» — разрушение берегов под механическим воздействием волн, соответственно «термоабразия» — совокупное механическое и термическое разрушение берегов под действием волн, отепляющего влияния воды и непосредственно солнечных лучей.

Наконец, напомним, что под карстом понимается растворение горных пород водой. При этом в них образуются пустоты различной формы и размеров, а на земной поверхности — замкнутые бессточные западины: блюдца, воронки, котловины. В процессе термического карста, или «термокарста», происходит своеобразное «растворение» льда водой вследствие ее отепляющего воздействия на мерзлые толщи. На земной поверхности образуются различного рода понижения типа канав, воронок, котловин. Наибольшее площадное распространение в криолитозоие имеют процессы термокарста, термоэрозии и наименьшее — термоабразии, которая проявляется локально только вдоль берегов.

Термокарст, пожалуй, самый распространенный процесс в криолитозоне. Площадь озерных водоемов в тундре нередко достигает 80%, а на отдельных участках и 90% территории. Легко представить себе силу отепляющего воздействия озерных вод на мерзлые толщи. В процессе термокарста небольшие озерки углубляются, расширяются, соединяются между собой и превращаются в крупные озерные котловины, после спуска и осушения которых возникают плоскодонные заболоченные котловины — аласы и хасыреи. Начинается же процесс термокарста чаще всего с вытаивания ледяных жил, над которыми образуются четко выраженные канавы. В местах пересечения канав возникают небольшие по ширине, но глубокие озерки. Вся первоначально плоская поверхность расчленяется на плосковершинные блоки или бугры, разделенные канавами. Со временем ширина канав увеличивается, они превращаются в плоскодонные ложбины, увеличивается и площадь озерков в крестовинах. Озерки появляются и на самом плоском днище ложбин. Если льдистость верхних горизонтов мерзлых толщ большая, то термокарстовый процесс движется дальше, охватывая все новые и новые территории, наконец, «съедая» и возвышенные блоки между ложбинами. Нередко на начальных стадиях развития термокарстовых озер можно видеть, что они правильным кольцом окружают возвышающийся в их центре островок, представляющий собой уцелевший возвышенный блок-останец.

Вытаивание крупных ледяных жил в крутых береговых обрывах приводит к образованию характерного рельефа байджарахов, представляющих собой островерхие холмы-останцы конической формы. С вытаиванием ледяных жил большой вертикальной протяженности связано возникновление глубоких узких колодцев с расширенным котлованом внизу. Крупные ледяные жилы при этом протаивают часто не полностью (в центре или сборку). В дальнейшем вертикальная полость колодца может расшириться, а может «залечиться», т. е. заполниться замерзшей смесью снега и воды.

Масштабность проявления термокарстовых процессов возрастает, если начинают вытаивать монолитные тела линзовидных и пластовых залежей подземных льдов, толщина которых, как говорилось, достигает 40 м, а поперечник нескольких сотен метров, возможно, первые километры. Интересные сведения в этом отношении приведены О. М. Петровым по юго-западному побережью Чукотки в районе залива Креста Берингова моря. Здесь непосредственными натурными наблюдениями зафиксировано современное проявление термокарста, связанного с вытаиванием линзы слоистого льда. За 8—10 лет на ровной поверхности морской равнины образовалась западина площадью в несколько сотен квадратных метров и глубиной 8—10 м. Иными словами, западина углублялась со скоростью 1 м в год. Как совершенно справедливо замечает О. М. Петров, подобный процесс играет далеко не последнюю роль в преобразовании плоских и слабоволнистых поверхностей морских равнин в холмисто-западинные поверхности с чертами типичного ледникового рельефа моренных равнин. Образуются сложные сочетания беспорядочных скоплений холмов и расположенных между ними бессточных котловин, частично занятых озерами. В соответствии с толщиной линзовидных и пластовых залежей льдов глубина связанных с их вытаиванием котловин может достигать порядка 40 м.

Однако термокарстовый холмисто-западинный рельеф образуется не только в связи с протаиванием линзовидно-пластовых и других крупных скоплений монолитного подземного льда. Дело в том, что насыщенность ледяными прослойками мерзлых толщ очень неравномерна и зависит от состава отложений, их водонасыщенности перед промерзанием, способа промерзания и т. д. Глинистые отложения на севере Западной Сибири, например, имеют среднюю льдистость до глубины 10 м 30—50%, ниже до глубины 40 м насыщенность льдом составляет около 20%. Протаивание только этих приповерхностных горизонтов отложений обусловит осадку грунтов на величину до 10 м. В интервале от 40 до 100 м мерзлые толщи глинистого состава имеют льдистость порядка 20% вверху и 10% внизу. Общая толщина мерзлых, рыхлых, преимущественно глинистых отложений на севере Западной Сибири достигает 400 м. Бурение близ устья р. Енисея показало, что льдистые отложения с толстыми ледяными прослойками-шлирами встречены на максимальной глубине около 400 м. Одна из скважин в том же районе, в верховьях небольшого левого притока р. Енисея (р. Большая Хета), вскрыла залежь льда толщиной 15,5 м в интервале глубин 92—107,5 м.

Приведенные факты показывают, что льдистые отложения и крупные залежи подземного льда могут быть встречены практически на всех глубинах в толщах мерзлых рыхлых отложений. Протаивание их обусловит осадку на величину порядка 60 м. При этом следует иметь в виду, что пестрые по составу толщи имеют и крайне неравномерное распределение льдистости на площади. Поэтому когда произойдет их полное и повсеместное протаивание, то неизбежно возникнут скопления останцовых холмов и вытянутые гряды. Даже частичное протаивание мерзлых толщ в приповерхностной части на локальных участках приводит к возникновению холмисто-западинного рельефа с сочетанием бессточных котловин и холмов-останцов между ними. Наглядно этот процесс можно наблюдать при термокарстовом расчленении ровных, нередко почти плоских низких, молодых террас на побережье морей, крупных озер, эстуариев. Благодаря хорошей дренированности близ склонов речных долин, озерных котловин и морских берегов ровные террасовые поверхности, сложенные обычно в верхней части песками, приобретают характерный холмисто-западинный рельеф. Превышения холмов над западинами нередко достигают почти полной величины относительной или абсолютной высоты террасовой поверхности и составляют 15—25 м и более.

За пределами частично протаявших участков с холмисто-западинным рельефом, где не развиты или слабо развиты термокарстовые процессы, террасы сохраняют свою ровную, часто почти идеальную плоскую поверхность. При полном протаивании мерзлых толщ (деградации мерзлоты) холмисто-западинный рельеф возникнет только в районах, где распространены отложения неоднородного состава с неоднородной, неравномерной льдистостью. К подобным районам можно отнести север Печорской, Западно-Сибирской низменностей, прибрежные равнины Чукотки, сложенные преимущественно бассейновыми накоплениями — морскими, лагунными, озерными, эстуарными, частично речными. По составу это глины, суглинки, алевриты, пески, галечники. Прибрежные обширные равнины Северо-Востока СССР — Анабаро-Оленекская, Яно-Индигирская и Колымская — сложены однообразными по составу, преимущественно торфянисто-алевритовыми, высокольдистыми отложениями, пронизанными системами вертикальных ледяных жил. Общая льдистость их достигает 80—90% практически на всю толщину. Если они полностью протают, то сложенные ими поверхности, имеющие в настоящее время высоту 80—100 м, понизятся до 8—10 м! Все это показывает грандиозность процессов постмерзлотного преобразования рельефа земной поверхности и слагающих его отложений.

Термоэрозия, так же как и термокарст, представляет собой ведущий процесс преобразования первичного рельефа земной поверхности, обусловленный вытаиванием подземных льдов. Специфика разрушительной работы рек и ручьев в криолитозоне связана не только с их отепляющим воздействием на дно, но и влиянием на эрозионные процессы морозобойного растрескивания грунтов, активной работой снежников под склонами речных долин и рядом других факторов. Морозобойные трещины во многом предопределяют характер и даже рисунок гидросети на ранних стадиях развития водотоков. Поверхность практически всех уровней рельефа в криолитозоне разбита сетью морозобойных трещин на полигоны. Поперечник их варьирует в широких пределах от 10 до 100 и даже 500 м. К морозобойным трещинам, разделяющим полигоны, приурочены ледяные жилы или грунтовые клинья. Первичная эрозионная сеть мелких водотоков непременно наследует сеть морозобойных трещин, благодаря чему сама приобретает полигональный характер. Небольшие речки и ручьи образуют в плане резкие (под прямым углом) коленообразные изгибы. Склоны и обрывы рек, крутые берега морей и озерных котловин расчленяются рытвинами и водотоками, также наследующими морозобойные трещины. Поэтому водороины на крутых склонах обычно располагаются примерно на одном расстоянии, расчленяя склон на отдельные бастионы приблизительно одинаковой величины.

Основной сток поверхностных вод. концентрируется на первых этапах развития гидросети и эрозионного расчленения территории в направлении, перпендикулярном к склону или обрыву. Благодаря быстрому протаиванию мерзлых толщ под врезающимися водотоками и активному выносу ими твердых частиц узкие водороины расширяются, превращаются в плоскодонные ложбины, между которыми остаются вытянутые островершинные гряды, высота которых достигает 10—15 м и зависит от превышения расчленяемой поверхности над днищем долины, уровнем моря или дном озерной котловины. Ложбины растут вверх по течению водотоков и достигают верховий водотоков противоположного направления. В результате первичная плоская поверхность оказывается расчлененной на серии параллельных гряд. В свою очередь гряды расчленяются вдоль поперечных морозобойных трещин притоками водотоков ложбин на отдельные холмы, располагающиеся на месте бывших гряд цепочками.

Высокие поверхности рельефа в местах их достаточно активного эрозионного расчленения, особенно вблизи склонов речных долин, озерных котловин, морских берегов, приобретают грядово-холмистый облик. Нередко в широких плоскодонных долинах относительно крупных речек и рек, когда склоны отступили уже достаточно далеко от русла, можно наблюдать узкие останцовые гряды, протягивающиеся поперек днища долин и причленяющиеся к склонам, переходящим затем в плоские высокие террасовые уровни или водоразделы. Отмечаются случаи, когда останцовые гряды протягиваются от обоих склонов долины, перегораживая ее плоское днище. Поперечное расчленение таких гряд приводит к тому, что они распадаются на цепочки холмов, переходящие по дну долины с одного ее склона на другой, и отдельные холмы — останцы. Создается морфологический эффект перегораживания долины насыпными грядами и цепочками холмов. Они характерны для строения речных долин современной тундровой зоны и принимаются обычно за древние насыпные ледниковые образования. На самом же деле природа этих образований останцовая, что прекрасно видно благодаря продолжающемуся процессу их развития в настоящее время и разным стадиям его выраженности. В зрелой стадии развития процесса первоначально плоские поверхности оказываются целиком расчлененными на отдельные холмы и гряды.

Термоабразию нельзя причислить к ведущим мерзлотным процессам, преобразующим земную поверхность в криолитозоне. Она проявляется локально лишь на крутых берегах рек, озер и морей. При этом разрушаются и быстро отступают крутые льдистые берега, обваливаются в воду находящиеся на них постройки, «на глазах» исчезают целые острова. Все это — результат совокупного механического и теплового воздействия волн на берега, сложенные льдистыми отложениями. Результат термического воздействия воды на такие берега — образование термоабразионных ниш и нависающих над водоемами козырьков. Крутизна обрывов постоянно поддерживается благодаря тому, что волны легко справляются

с тем небольшим количеством твердых минеральных частиц, которые остаются после того, как растаивают льдистые горные породы. Волны «слизывают» эту жидкую илистую грязь у подножия крутых берегов, унося ее на глубину, и вновь подмывают их. Особенно характерны берега подобного типа для морей Лаптевых и Восточно-Сибирского.

Источник: И.Д. Данилов. Подземные льды. Издательство «Недра». Москва. 1990