Многолетнемёрзлые отложения с пластовыми льдами на побережье Югорского полуострова

Белова Наталия Геннадиевна кандидат географических наук научный сотрудник, Институт криосферы Земли, Тюменский научный центр СО РАН; Тюменский государственный университет; Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова 625000, Россия, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86 Belova Nataliya Gennadievna PhD in Geography Scientific Associate, the Institue of Earth Cryosphere, Tyumen Scientific Center of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciencesl Tyumen State University, the faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University 625000, Russia, Tyumenskaya oblast', g. Tyumen', ul. Malygina, 86 nataliya-belova@yandex.ru Бабкина Елена Алексеевна младший научный сотрудник, Институт криосферы Земли, Тюменский научный центр СО РАН 625000, Россия, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86 Babkina Elena Alekseevna Junior Scientific Associate, the Institute of Earth Cryosphere, Tyumen Scientific Center of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 625000, Russia, Tyumenskaya oblast', g. Tyumen', ul. Malygina, 86 ea_pereval@mail.ru Дворников Юрий Александрович кандидат геолого-минералогических наук научный сотрудник, Институт криосферы Земли, Тюменский научный центр СО РАН 625000, Россия, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86 Dvornikov Yury Aleksandrovich PhD in Geology and Mineralogy Scientific Associate, the Institute of Earth Cryosphere, Tyumen Scientific Center of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 625000, Russia, Tyumenskaya oblast', g. Tyumen', ul. Malygina, 86 ydvornikow@gmail.com Нестерова Нина Байроновна младший научный сотрудник, Тюменский государственный университет 625003, Россия, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Володарского, 6 Nesterova Nina Baironovna Junior Scientific Associate, Tyumen State University 625003, Russia, Tyumenskaya oblast', g. Tyumen', ul. Volodarskogo, 6 n.b.nesterova@utmn.ru

Хомутов Артем Валерьевич кандидат геолого-минералогических наук ведущий научный сотрудник, Институт криосферы Земли, Тюменский научный центр СО РАН; Тюменский государственный университет 625000, Россия, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Малыгина, 86 Khomutov Artem Valerievich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institute of Earth Cryosphere, Tyumen Scientific Center of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 625000, Russia, Tyumenskaya oblast', g. Tyumen', ul. Malygina, 86 аkhomutov@gmail.com

Полевые работы 2019 года по исследованию термоденудации на Югорском полуострове выполнены в рамках проекта РФФИ 18-05-60222. Исследование разрезов с пластовыми льдами проводилось при поддержке гранта Президента РФ МК-398.2019.5.

ВВЕДЕНИЕ

Пластовые льды — уникальный природный объект в криосфере Земли. В настоящее время не выявлено массового формирования современных пластовых залежей льдов, кроме случаев захоронения ледниковых и снежниковых льдов и образования льдов на дне моря в местах эмиссии газов ^{[1, 2 и др.]}. Большая часть существующих сегодня пластовых залежей сформировалась в позднем неоплейстоцене. Сам термин «пластовый лёд» — морфологический («залежь льда с горизонтальными размерами, значительно превышающими вертикальные» ^[3]); он не несёт генетической нагрузки. Вместе с тем, неоднородное пространственное распределение пластовых льдов в Арктике позволяет предположить, что для их формирования необходимы были специфические условия промерзания вмещающих отложений. К примеру, пластовые залежи не характерны для равнин Восточной Сибири, но многочисленны на приморских низменностях Западной Сибири и на побережье Восточной Чукотки. Исследователи по-разному реконструируют палеогеографические условия, в которых появились такие льды. Они могли сформироваться при эпигенетическом промерзании отложений после относительного падения уровня моря в результате регрессии моря или неотектонического подъема (например, ^{[4, 5]} и др.). Согласно другой широко распространённой точке зрения, условия для образования пластовых льдов могли появиться при дегляциации территории ^[6-9], по аналогии с пластовыми льдами дельты р. Маккензи в Канаде ^[10-12]. При массовом формировании пластовых льдов в каждом районе преобладали определённые механизмы их образования, зависевшие от локальных условий. Регион наиболее массового распространения пластовых льдов – побережье Карского моря – один из наиболее спорных районов с точки зрения реконструкции позднечетвертичной истории. Исследование классических районов с применением современных методов – один из способов пересмотра и дополнения существующих представлений о палеогеографии юго-западной части Карского моря. В одном из подобных районов в восточной части Югорского полуострова в результате потепления последнего десятилетия сформировались многочисленные термоцирки с новыми обнажениями пластовых льдов. Выявление механизмов и условий их формирования позволит уточнить особенности криогенеза и развития территории в позднем неоплейстоцене-голоцене.

РАЙОН РАБОТ

На востоке Югорского п-ова разрезы мёрзлых отложений с пластовыми залежами подземных льдов изучаются с 1984 года. Наибольшее внимание исследователи уделяли разрезу урочища Шпиндлер на побережье Карского моря в 40 км к востоку от Амдермы ^{[4, 13-27]}. Также пластовые льды вскрывались к западу от лагуны Первой Песчаной в 5-6 км к востоку от пос. Амдерма ^{[4, 27—29]}; изучались термоцирки, расположенные непосредственно на берегу Карского моря. В 2019 году был изучен новый разрез с пластовым льдом, удалённый от береговой линии на 1 км.

МЕТОДЫ

Перед экспедицией 2019 года на побережье Югорского п-ова в район пос. Амдерма, организованной Институтом криосферы Земли, были поставлены две основные задачи: 1) Возобновление мониторинга активности термоденудационных процессов, проводимого на данном ключевом участке регулярно с 2000 по 2010 гг. ^{[24, 27]}, 2) Исследование криогенного строения разрезов четвертичных отложений, вскрывающихся в стенках термоцирков.

По результатом рекогносцировочного обследования территории было выделено шесть термоцирков ^[30].

В термоцирке №3 Внутреннем (69,748 с.ш., 61,788 в.д., рис. 1) наиболее детально обследовано строение разреза мёрзлых четвертичных отложений. Описано строение льдов и перекрывающих отложений. Отобраны образцы перекрывающих отложений на гранулометрический состав и содержание основных катионов и анионов в водной вытяжке. Образцы льда отбирались для определения изотопного состава кислорода и водорода во льду, а также содержания основных катионов и анионов. Образцы газовых включений во льду отбирались методом head space для определения содержания метана ^[5].

Рис. 1. Термоцирк Внутренний в 5 км к востоку от пос. Амдерма. Стенка северо-восточной экспозиции высотой 4-5 м (южный борт термоцирка). Фото Нестеровой Н. Б.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Перекрывающие отложения. Пластовая ледяная залежь перекрывается суглинистыми отложениями мощностью 4-5 м (рис. 2). Суглинки тёмно-серые, плотные, неявнослоистые за счёт чередования мелкооскольчатых и крупнооскольчатых суглинков. Ледяные шлиры не образуют регулярную сетку, часто ориентированы вертикально. Встречаются гнёзда чистого прозрачного пузырчатого льда размером до 8 см с удлинёнными воздушными пузырьками. В суглинках встречены осколки раковин моллюсков (к примеру, в северном борту термоцирка на высоте 0,9 м над кровлей пласта залегает insituединичная ломкая раковина), отдельные мелкие валуны. В днище термоцирка многочисленны валуны размером более 0,5 м, вероятно, изначально залегавшие в перекрывающих лёд суглинках.

Рис. 2. Отбор образцов из суглинков, перекрывающих пластовую залежь. Южный борт термоцирка. Фото Бабкиной Е. А.

Верхний контакт залежи преимущественно первичный, слоистость во льду повторяет форму кровли пласта (см. рис. 2). На контакте и в перекрывающих суглинках встречены валуны до 0,7 м в поперечнике (рис. 3), часто они залегают субгоризонтально как на контакте, так и в перекрывающих валунных суглинках.

Рис.3. Кровля пластовой залежи в северном борту термоцирка. Валуны встречены на верхнем контакте пласта, в перекрывающих суглинках и в теле самой залежи (1 — углубление на месте валуна, выпавшего во время описания). Условными знаками показаны места залегания раковин моллюсков в мёрзлых отложениях. Фото Беловой Н. Г.

Строение пластовой залежи. Лёд залежи слоистый за счёт изменения содержания грунтовых и воздушных включений во льду. Верхние 1,5 м залежи значительно более насыщены грунтовыми включениями, представленными частицами пылеватой, песчаной и галечной размерности (рис. 3, 4). Прослои чистого льда тонкие, мощностью преимущественно менее 1 см. Лёд мелко- и среднекристаллический, в тонких прослоях кристаллы меньше, в более крупных размер кристаллов около 1 см. Во льду встречены осколки раковин моллюсков – они залегают в пластовой залежи в 0,4 м ниже кровли в южном борту термоцирка и в 1,5 м ниже кровли в северном борту. На поверхности пластовой залежи обилен ракушечный детрит, вытаявший из перекрывающих отложений или из самого пласта. В северном борту термоцирка встречен валун около 0,15 м в поперечнике, залегавший в мёрзлой стенке. Слоистость залежи не изменяется на контакте с валуном.

Рис. 4. Структура льда средней части залежи в естественном (слева) и поляризованном (справа) свете. Фото Беловой Н. Г.

Нижняя часть залежи на глубине 2-4,5 м от кровли сложена переслаиванием чистого прозрачного льда, чистого пузырчатого льда (рис. 5), мутного за счёт грунтовых включений льда, и слоистого льда. Размерность грунтовых включений во льду - от глинистой до гравийно-галечной. Редко встречаются мелкие валуны.

Рис. 5. Лёд из нижней части залежи, содержащей меньше грунтовых включений. Фото Беловой Н. Г.

Из льда залежи и перекрывающих отложений было отобрано 43 образца на определение содержания стабильных изотопов кислорода и водорода. Отбор производился преимущественно в южном борту термоцирка (рис. 6). В тех же точках, но с более редким шагом, методом head space было отобрано 19 образцов газовых включений во льду для определения содержания метана. Лёд пластовой залежи и текстурообразующие льды в перекрывающих отложениях опробованы для определения состава основных катионов и анионов во льду, всего отобрано 17 образцов (3 из текстурообразующего льда и 14 из пластовой залежи).

Рис. 6. Схема отбора образцов для определения содержания стабильных изотопов кислорода и водорода. Указаны порядковые номера образцов. Условными знаками показаны места залегания раковин моллюсков в мёрзлых отложениях. Фото Беловой Н. Г.

ОБСУЖДЕНИЕ

Отложения, перекрывающие пластовые льды различаются по литологическому составу. В термоцирках Западном (№1) и Восточном (№2, см. ^[30]), расположенных на берегу Карского моря и описанных в статье Е. А. Слагоды с соавторами ^[28], льды верхнего яруса перекрывались гравийно-галечными и песчано-супесчаными (дельтовыми, по Е. А. Слагоде) отложениями, в то время, как в обследованном термоцирке 3 пластовая залежь перекрыта преимущественно серыми суглинками. В северо-западном сегменте данной термоденудационной формы, примерно в 200 метрах от участка описаний, где лёд практически полностью вытаял, в стенке вскрываются пески со слоистостью ряби и суглинистыми прослоями мощностью порядка 5 м. Возможно, в этой части термоцирка лёд залегал в песчаных отложениях. Мозаичность и резкая смена литологического состава отложений, залегающих на одних и тех же абсолютных высотах, может свидетельствовать о размыве морских отложений, лежащих в основании разреза, с последующим заполнением более молодыми осадками иного генезиса. С другой стороны, формирование мощных залежей пластовых льдов при неравномерном промерзании отложений могло изменить абсолютные высоты залегания различных слоёв за счет изменения объема пород при льдообразовании.

Предположение о захоронении в данном регионе базального льда шельфового ледника, надвигавшегося на Югорский полуостров с Карского моря около 90 тыс. лет назад ^{[18, 19, 20, 31]}, материалами полевых исследований обнажений 2019 года не подтверждается. Признаков захоронения ледникового льда (несогласный верхний контакт, складчатые деформации во льду) в изученном разрезе не встречено. Напротив, о внутригрунтовом формировании залежей свидетельствует согласный верхний контакт, слоистость во льду, повторяющая форму кровли пласта, постепенное увеличение льдосодержания в залежи вниз по разрезу, отсутствие следов деформаций во льду и перекрывающих отложениях. Захоронение и длительная консервация ледникового льда (даже базального) в суглинистых морских отложениях на широте менее 70° с. ш. представляются маловероятными. М. О. Лейбман с соавторами на основании результатов геохимического исследования пластовых льдов и их морфологической схожести со льдами урочища Шпиндлер предполагали внутригрунтовый генезис ^{[27, 29]}. Предполагаемый нами вывод о внутригрунтовом формировании пластовых залежей новых обнажений, исследованных в 2019 г., будет более обоснован после получения результатов лабораторных исследований отобранных образцов. Анализ химического состава водной вытяжки из перекрывающих отложений позволит подтвердить или опровергнуть морской генезис суглинков с обломками ракуши. Содержание стабильных изотопов кислорода и водорода во льду и характер их распределения в теле залежи, содержание метана во льду помогут определить источник воды, сформировавшей ледяной пласт. На основании данных об изотопном составе кислорода и водорода в залежах урочища Шпиндлер Ю. К. Васильчук ^[4] выделил Югорский тип изотопных вариаций в пластовых льдах со значительным разбросом значений вдоль пласта в центральной части залежи и однородными значениями в верхней и нижней частях. Характер изотопного распределения в исследованной залежи может свидетельствовать в пользу единого (или различного) генезиса пластов урочища Шпиндлер и района лагуны Первой Песчаной.

Предварительно можно предположить, что пластовые залежи формировались во время медленного эпигенетического промерзания вышедших из-под уровня моря морских (суглинистых) и дельтовых (слоистых песчаных) отложений.

ВЫВОДЫ

В 5 км восточнее посёлка Амдерма (Ненецкий АО) исследованы слоистые пластовые ледяные залежи мощностью более 4,5 м, перекрытые суглинистыми отложениями с обломками раковин моллюсков. Особенности криолитологического строения разреза (согласный верхний контакт залежей, слоистость во льду, постепенное уменьшение содержания грунтовых включений во льду вниз по разрезу, наличие в соседних разрезах сходных по морфологии пластов льда, залегающих в отложениях иного литологического состава, и др.) говорят в пользу гипотезы о формировании залежей в результате медленного эпигенетического промерзания вмещающих отложений.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны М. О. Лейбман за консультации на этапах подготовки экспедиции и первичной обработки результатов, А. В. Баранской за обсуждение текста статьи и предложенные исправления, В. А. Морозову за всестороннюю помощь в организации полевых работ, а также руководству АО «Нарьян-Марский Объединенный Авиаотряд» за содействие при следовании в пос. Амдерма.