Литология и строение бугров пучения в долине р. Сенца (Окинское плоскогорье, Восточные Саяны)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литология и строение бугров пучения в долине р. Сенца (Окинское плоскогорье, Восточные Саяны)

Алексеев Сергей Владимирович доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией; Алексеева Людмила Павловна доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник; Светлаков Артем Александрович младший научный сотрудник; Козырева Елена Александровна кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией; Институт земной коры СО РАН; Васильчук Юрий Кириллович доктор геолого-минералогических наук, профессор, географический факультет МГУ

Аннотация

Объектами исследования явились многолетнемерзлые породы и бугры пучения в долине р. Сенца, проблема формирования которых в четвертичном периоде в течение многих десятилетий привлекает пристальное внимание исследователей различного профиля (от геоботаников до геокриологов). Комплексные пионерные исследования включали бурение скважин, детальную документацию мерзлого керна, вскрытых разрезов бугров пучения, уступов речной террасы, тахеометрическую съемку долины р. Сенца, GPS-привязку опорных разрезов и скважин, определение льдистости (влажности), литологического, гранулометрического и микроагрегатного состава озерно-аллювиальных отложений. Аналитические работы выполнены по современным методикам в ЦКП «Геодинамика и геохронология» (ИЗК СО РАН, г. Иркутск).

Установлено, что бугры пучения сложены преимущественно пылеватыми суглинками с прослоями тяжелой супеси и линзами (мощностью до 0,65 м) льда. Криотекстуры - слоистые, косослоисые, тонкошлировые, крупносетчатые, базальные. Созданная 3D-модель рельефа свидетельствует о наличии либо обширной площади с множеством бугров пучения разного размера, либо одного гигантского бугра, который в настоящее время разделен на отдельные фрагменты вследствие активного термокарста на надпойменной террасе и термоэрозии берегов р. Сенца. По предварительным данным бугры пучения представляют собой криогенные образования смешанного сегрегационно-инъекционного генезиса. Конечной целью исследований является разработка сценария формирования мерзлых озерно-аллювиальных отложений и создание теоретической модели голоценовой эволюции бугров пучения Окинского плоскогорья.

Ключевые слова: многолетнемерзлые озерно-аллювиальные отложения, литология, криогенные текстуры, гранулометрический состав, льдистость, 3D-модель рельефа, бугры пучения, линзы льда, сегрегационно-инъекционное льдообразование, Окинское плоскогорье.

мерзлый бугор пучение криогенный

Abstract

The research objects are permafrost sediments and frost mounds in the Sentsa river valley. The problem of their formation in the alluvium period attracts the attention of many scholars in different fields of study (from geo-botanists to specialists in geo-cryology). The complex pilot studies included boreholes drilling, detailed documentation of frost borehole samples, penetrated sections of frost mounds, and river terrace cusps, tacheometric survey of the Sentsa river valley, GPS-anchoring of reference sections and boreholes, defining the ice content (humidity), and the lithological, grain-size and microaggregate composition of lacustrine-alluvial sediments.

The analysis has been performed by the specialists of the shared knowledge center “Geodynamics and geochronology” (the Institute of the Earth's Crust of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk) using the modern methods. The authors conclude that frost mounds consist mainly of silt loams with the interlayers of heavy clay sand and ice lenses (up to 0,65 m). Cryo-textures are fissile, crossbedded, thick-schlier, wide-meshed, basal. The designed 3D model of the relief speaks for the presence of either a vast area with many frost mounds of different sizes, or of one gigantic mound, which at the present time is defragmented due to active thermokarst on a terrace above the flood-plain and thermoerosion of the sides of the Sentsa river. According to the preliminary data, frost mounds are cryogenic formations of a mixed segregation-intrusive genesis. The final goal of the research is the elaboration of a scenario of formation of permafrost lacustrine-alluvial sediments and the creation of a theoretic model of the Holocene evolution of frost mounds of the Oka plateau.

Keywords: 3D-model of relief, ice content, grain-size composition, cryogenic structures, lithology, permafrost lacustrine-alluvial sediments, frost mounds, ice lenses, segregation-intrusive ice formation, Oka plateau

Проблема формирования криолитозоны в четвертичном периоде в течение многих десятилетий привлекает пристальное внимание исследователей различного профиля. Расширение и углубление знаний о строении и особенностях эволюции криолитозоны дает определенный ключ к пониманию общих закономерностей становления континентальной земной коры планеты Земля в позднем кайнозое.

Современная субаэральная криолитозона охватывает платформенные и орогенные области континентов. Одной из древних и крупных геоструктур Азии является Алтае-Саянская складчатая область, в пределах которой устойчивое сохранение горных пород в многолетнемерзлом состоянии началось с раннего-среднего плейстоцена. Ее восточную занимает Окинское плоскогорье, сложенное докембрийскими и раннепалеозойскими кристаллическими породами. Оно прорезано троговыми долинами рек Ока, Тисса, Сенца, Жомболок, выполненными четвертичными отложениями аллювиального, озерного, гляциального, делювиального и пролювиального генезиса.

В настоящее время Окинское плоскогорье является «белым пятном» для специалистов в области геокриологии вследствие удаленности этого природного объекта, а также отсутствия глубокого бурения в долинах рек и водоразделах, данных съемок целевого назначения.

В ходе проведения комплексных научно-исследовательских работ на Окинском плоскогорье Восточного Саяна в долине р. Сенца впервые изучены многолетнемерзлые породы и бугры пучения в долине р. Сенца на Окинском плоскогорье Восточных Саян Полученные результаты существенно расширяют существующие представления о формировании и эволюции криолитозоны Алтае-Саянской складчатой области.

Район исследования Окинское плоскогорье находится в восточной части Восточного Саяна (рис. 1).

Рис. 1. Долина р. Сенца, Окинское плоскогорье, Восточный Саян (фото с сайта Google Earth), местоположение скважин (кружок) и расчисток (треугольник).

Оно является водосбором рек Иркут, Ока, Китой, Урик. Приток р. Ока - р. Сенца - прорезает Окинское плоскогорье на глубину 800 м. Долина р. Сенца представляет собой классический трог с элементами ледникового рельефа в виде боковых и конечных морен позднеплейстоценового возраста. Здесь сформированы три надпойменные террасы и два уровня поймы (рис. 2). В. В нижнем течении русло реки висячее. Выше пос. Шаснур оно активно меандрирует. В днище долины широко распространены пойменные и термокарстовые озера [1-3].

Рис. 2. Характерная морфология долины р. Сенца.

Отложения аллювиального, озерного, гляциального, делювиального и пролювиального генезиса, выполняющие долину реки, представлены суглинками, супесями, песками, галечниками, валунами.

На горном обрамлении произрастают лиственничные и кедровые разнотравные леса паркового типа. Подлесок составляют заросли жимолости алтайской (Lonicera altaica ) , рододендрона золотистого (Rhododendron aureum ), а в кустарничковом ярусе господствует брусника обыкновенная (Vaccinium vitis - idaea ).

На равнинных участках днища долины и склонах южной экспозиции широко представлены кобрезиево-злаковые степные группировки из Kobresia sibirika , K . simpliciuscula , Helictotrichon mongolicum и мелкодерновинно-злаковые комплексы изFestuca lenensis , Poa botryoides , Koeleria cristata . Часто встречаются луговые и лугово-болотные комплексы из Ran ъ nculus б cris , Festuca pratensis , Carex nigra , C . sajanensis , приуроченные к участкам с повышенным увлажнением ^[4].

Климат в пределах Окинского плоскогорья резко континентальный. Среднегодовая температура воздуха в зависимости от абсолютной высоты изменяется от -5,6°С (1372 м) до -6,6°С (2084 м). Многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение с тенденцией их уменьшения в западном и северо-северо-восточном направлении. Сплошность мерзлых толщ нарушается сквозными таликами в зонах разломов, которые картируются постояннодействующими источниками подземных вод, несквозными таликами, связанными с отепляющим влиянием поверхностных водотоков и водоемов ^{[5, 6]}.

Мощность многолетнемерзлых пород на междуречных пространствах в среднем равна 170-200 м, а в долинах рек составляет 140-180 м. Среднегодовая температура мерзлых пород изменяется в пределах -2,1…-8,5°С. Сезонно протаивающий слой на междуречных пространствах имеет мощность 1,0-1,5 м, достигая 3,5 м на южных склонах ^[7-9].

Материалы и методы исследования

В основу настоящей статьи положены материалы комплексных полевых исследований бугров пучения в 2014-2016 гг. (табл. 1), которые включали бурение скважин, вскрытие, расчистку и детальную документацию разрезов с зарисовками и фотографированием, отбор проб льда, образцов рыхлых отложений для определения химического состава и физико-механических свойств. Всего задокументировано 7 разрезов бугров пучения и обнажений в уступе надпойменной террасы высотой от 1,8 до 10,7 м, пробурены скважины в апикальной части двух бугров: Se-15-скв. 2 глубиной 13,4 м и Se-16-скв. 1 глубиной 20,4 м с отбором керна через 0,4-0,7 м. В ЦКП «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН выполнен анализ физическо-механических характеристик грунтов (гранулометрический и микроагрегатный состав) по стандартным методикам ^[10].

Таблица 1 Общие сведения о вскрытых разрезах в долине р. Сенца

Результаты и обсуждение

На основе тахеометрической съемки участка долины р. Сенца площадью 140000 м² построена 3D-модель рельефа. Высотные отметки изменяются от 1381 м до 1390,4 м. абс., превышение составляет 9,4 м.

На 3D-модели рельефа четко выделяются несколько фрагментов небольших бугров пучения, которые расположены почти по идеальной окружности, очерчивая центральное понижение с небольшим озером в центре (рис. 1).

Рис. 3. 3D-модель рельефа участка долины р. Сенца (скважины показаны кружками, расчистки - треугольниками).

Первый из крупных изученных бугров пучения (Se-14-1) высотой 10,7 м (по наклонной плоскости, угол наклона 45°) с ледогрунтовым ядром находится на левой надпойменной террасе р. Сенца. К бугру примыкает озеро термокарстового происхождения (рис. 4).

Результаты гранулометрического анализа образцов рыхлых отложений, отобранных в расчистках, показали, что бугры сложеныпреимущественно пылеватыми суглинками (тяжелыми и средними) с прослоями пылеватых глин и тяжелой супеси (табл. 2).

Классификация фракций:

1) Крупно - среднепесчаная 0,5 - 0,25 мм М_пс¹

2) Мелко - тонкопесчаная 0,25 - 0,05 мм М_пс²

Рис. 4. Бугор пучения Se-14-1 и его расчистка.

Второй бугор Se-16-1, высотой 5,8 м (по наклонной плоскости, угол наклона 15°) расположен в 200 м к востоку от первого (рис. 5).

Рис. 5. Бугор пучения Se-16-1 и его расчистка.

Таблица 2 Результаты гранулометрического и микроагрегатного анализа рыхлых отложений бугра пучения Se-14-1

Примечание. Верхняя строка - результаты гранулометрического анализа с агрегатной подготовкой образца, средняя - с полудисперсной (стандартной) подготовкой, нижняя - с дисперсной подготовкой.

3) Крупнопылеватая 0,05 - 0,01 мм М_п¹

4) Мелкопылеватая 0,01 - 0,002 мм М_п²

5) Грубоглинистая 0,002 - 0,001 мм М_с¹

6) Тонкоглинистая < 0,001 мм М_с²

Образец № 1 - Суглинок тяжелый пылеватый, микроструктура - скелетно-агрегированная, тип структурной модели - крупнопылеватая агрегированная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - грубоглинистых частиц. Реальная глинистость суглинка 30,7% за счет скелетно-агрегированной микроструктуры.

Образец № 2 - Суглинок тяжелый пылеватый, микроструктура - агрегированно-скелетная, тип структурной модели - крупнопылеватая смешанная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - грубоглинистых и мелкопылеватых частиц. Реальная глинистость суглинка 32,8% за счет агрегированно-скелетной микроструктуры.

Образец № 3 - Суглинок тяжелый пылеватый, микроструктура - агрегированно-скелетная, тип структурной модели - крупнопылеватая смешанная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - грубоглинистых и мелкопылеватых частиц. Реальная глинистость суглинка 40,2% за счет агрегированно-скелетной микроструктуры.

Образец № 4 - Суглинок средний пылеватый, микроструктура - скелетно-агрегированная, тип структурной модели - крупнопылеватая смешанная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - грубоглинистых и мелкопылеватых частиц. Реальная глинистость суглинка 19,5% за счет скелетно-агрегированной микроструктуры.

Образец № 5 - Глина пылеватая, микроструктура - агрегированно-скелетная, тип структурной модели - мелкопылеватая элементарная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - мелкопылеватых частиц. Реальная глинистость глины 32,2% за счет агрегированно-скелетной микроструктуры.

Образец № 6 - Супесь тяжелая, микроструктура - агрегированно-скелетная, тип структурной модели - тонко-мелкопесчаная смешанная. Агрегаты состоят из тонкоглинистых в меньшей степени - грубоглинистых и мелкопылеватых частиц. Реальная глинистость глины 16,5% за счет агрегированно-скелетной микроструктуры.

В апикальных частях бугров пучения были пробурены 2 скважины. Литологический состав рыхлых отложений и их криогенное строение представлены на рис. 6. Бугор пучения Se-16-1 с поверхности и до глубины 8,4 м сложен тяжелыми пылеватыми суглинками светло- и темно-коричневого цвета. Кровля мерзлых пород зафиксирована на глубине 1,1 м. Криотекстура суглинков - редко-, горизонтальнослоистая тонкошлировая, иногда - до крупношлировой и базальной. Шлиры льда горизонтальнослоистые. Толщина шлиров - 3-5 мм, встречаются прослои льда мощностью 1-1,5 см. Шлировый лед прозрачный с газовыми пузырьками округлой формы и включениями суглинков (рис. 6a).

Рис. 6. Литология и строение бугров пучения в долине р. Сенца (положение устья скважин отвечает абсолютным отметкам).

С глубины 1,9 м льдистость отложений возрастает до 50 % и более. Суглинки превращаются в ледогрунт (рис. 7б). В интервале 2,8-2,9 м прослой суглинка содержит гумус. С 3,2 м криотекстура грунта местами сетчатая (неполновыраженная, косослоистая). Иногда толщина шлиров льда превышает толщину прослоев суглинка. Средняя толщина как горизонтальных, так и вертикальных шлиров составляет 5-7 см. Видимая льдистость 30-40%. С появлением в разрезе темно-серых пылеватых более глинистых прослоев криотекстура изменяется на косослоистую. В интервале 4,5-4,9 м вскрыт чистый прозрачный лед с большим количеством газовых пузырьков размером 1-5 мм (рис. 7в). Газовые включения характеризуются хаотической ориентировкой, группируются в скопления круглых, плоских, вытянутых и изогнутых пузырьков, что указывает на сложность и разнообразие процессов кристаллизации. По вертикали в прослое льда выделяются два слоя с различной насыщенностью газовыми включениями.

Рис. 7. Типичное криогенное строение бугра пучения Se-16-1. а) суглинок с крупношлировой криогенной текстурой, глубина 1,6-2,0 м; б) ледогрунт, глубина 2,0-2,4 м; в) чистый лед, глубина 4,5-4,9 м; г) переслаивание суглинка с массивной криотекстурой и прослоев чистого льда, глубина 17,9-18,6 м.

С глубины 4,9 м в прослеживается переслаивание горизонтальных прослоев льда и льдистых суглинков толщиной 1,5-2,0 см и 2,0-3,0 см. Видимая льдистость - до 90%.

В интервале 8,4-9,0 м вскрыта голубовато-серая супесь с массивной криотекстурой и льдистостью около 10%. Ниже, до глубины 20,4 м разрез представлен ритмичным переслаиванием голубовато-серых суглинков толщиной 40-50 см и линз чистого льда толщиной от 1,5 до 10-15 см (рис. 6г). Криотекстура - суглинка массивная, с глубины 18,5 м переходит в сетчатую. Лед в линзах прозрачный с мелкими и крупными газовыми пузырьками (диаметром до 3 мм).

Бугор пучения Se-14-1 с поверхности и до глубины 0,85 м сложен талыми светло-коричневыми супесями, переходящими ниже по разрезу в голубовато-серые суглинки с тонкошлировой частослоистой криотекстурой. Толщина шлиров не превышает 1-2 мм. На глубине 1,17 м в керне обнаружены растительные остатки. С глубины 1,35 м в суглинках появляются вертикальные шлиры толщиной до 1-3 мм, возрастает видимая льдистость отложений. Ниже разрез представлен ледогрунтом с базальной, иногда слоистой крупношлировой, криотекстурой (рис. 8а). Многочисленные прослои и линзы прозрачного льда толщиной 3-5 см содержат пузырьки (диаметром 0,5-1,0 мм) воздуха округлой и вытянутой формы. Местами лед белесового цвета, непрозрачный.

На глубине 6,3 м суглинки сменяются голубовато-серыми супесями, которые слагают тело бугра пучения до глубины 8 м. Криотекстура супесей в верхней части массивная и неравномерно слоистая в нижней за счет появления линз льда толщиной 0,5-2,0 см (рис. 8б). Лед прозрачный с пузырьками округлой формы. В интервале 7,7-7,8 м пузырьки вытянуты вертикально.

В интервале глубин 8-14 м вскрыты голубовато-серые суглинки, которые содержат крупные (до 5-6 см) шлиры прозрачного льда (рис. 8в). Шлиры горизонтальные, иногда наклонные (угол до 45°). Лед в основном с пузырьками воздуха диаметром до 3 мм. На глубине 12 м в керне прослежены субвертикальные шлиры льда толщиной до 2 мм. Толщина прослоев суглинка 6-7 см, криотекстура массивная.

Рис. 8. Типичное криогенное строение бугра пучения Se-16-1. a) ледогрунт и прослои чистого льда, глубина 5,0-5,3 м; б) супесь с массивной криотекстурой, глубина 6,6-6,8 м; в) ледогрунт, глубина 10,0-10,2 м; г) суглинок с массивной и редкошлировой криотекстурой, глубина 13,0-13,4 м.

В интервале 12,1-13,0 ммощность слоев суглинков и льда увеличивается до 10-15 см. Криотекстура изменяется на массивную и редкошлировую волнистую (шлиры льда толщиной до 1 см), общая льдистость грунта уменьшается (рис. 8г).

Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые предварительные выводы. Бугры пучения различного размера хаотично расположены в долине р. Сенца. В основном они приурочены к области распространения озерных отложений в зоне подпора, образованного барражом ледникового генезиса - конечной мореной позднеплейстоценового возраста. Заложение дамбы произошло более 7 тыс. лет назад, а ее разрушение - около 4,7 тыс. лет назад ^[11].

Меандрирующее русло реки и большое количество стариц и озер свидетельствуют о перегруженности долины осадочным материалом. Мелкозернистые отложения, сформировавшиеся в озерной котловине и речной долине при низких скоростях течения воды, в период многолетнего промерзания явились благоприятной средой для активизации процессов пучения поверхности поймы и террас р. Сенца. В голоцене после спуска палеоозера в водонасыщенных отложениях, подвергшихся прогрессирующему всестороннему промерзанию, в результате миграции влаги в сезонноталом или сезонномерзлом слоях происходило сегрегационное льдообразование, приводившее к пучению рыхлых отложений.

Промерзание отложений, возможно, сопровождалось также инъекцией подземных вод при наличии благоприятных условий, таких как возросшее артезианское давление, ослабленные литологические контакты, различные неоднородности. Подземные воды внедрялись в рыхлые отложения и при замерзании формировали инъекционные льды. В результате могла образоваться обширная площадь либо с множеством бугров пучения разного размера либо один гигантский бугор, который в настоящее время, вероятно, разделен на отдельные фрагменты вследствие активного термокарста на пойме и надпойменной террасе, а также термоэрозии берегов р. Сенца.

Бугры пучения в долине р. Сенца до глубины 14-20 м сложены преимущественно пылеватыми средними и тяжелыми суглинками, глинами с прослоями супесей и линзами (до 0,65 м) льда.

Криотекстура суглинков и глин - редко-, горизонтальнослоистая, косослоистая, волнистая тонкошлировая, крупношлировая и базальная, в ряде случаев - массивная и сетчатая.

Криотекстура супесей - массивная, местами неравномерно слоистая.

Шлиры и линзы текстурообразующих льдов прозрачные, иногда белесового цвета, содержат пузырьки воздуха округлой и вытянутой формы.

Все бугры пучения в долине р. Сенца имеют различные размеры и расположены хаотично. Не исключено, что в период промерзания водонасыщенных озерных отложений могла сформироваться обширная площадь с множеством бугров пучения, либо один гигантский бугор, который в настоящее время разделен на отдельные фрагменты.

По предварительным данным бугры пучения являются криогенными образованиями смешанного сегрегационно-инъекционного генезиса.

Библиография

1. Кропоткин П.А. Поездка в Окинский караул // Петр Алексеевич Кропоткин. Естественно-научные работы. М.: Наука. 1998. С. 31-76.

2. Олюнин В.Н. 1965. Неотектоника и оледенение Восточного Саяна. М.: Наука, 1965. 127 с.

3. Шарастепанов Б.Д. Природные ландшафты Окинского плоскогорья и их использование в туристско-рекреационных целях: Автореф. дисс.... канд. геогр. наук. Улан-Удэ. 2007. 22 с.

4. Выркин В.Б., Шеховцев А.И., Белозерцева И.А., Алешина И.Н., Захаров В.В., Кичигина И.В., Черкашина А.А. Современное состояние ландшафтов Окинской котловины (Восточный Саян) // География и природные ресурсы. 2012. № 4. С. 98-107.

5. Соловьева Л.Н. Морфология криолитозоны Саяно-Байкальской области (на примере Бурятской АССР). Новосибирск: Наука, 1976. 126 с.

6. Геокриология СССР. Горные страны юга СССР / Под ред. Э. Д. Ершова. М.: Недра, 1989. 360 с.

7. Гидрогеология СССР. Том XXII. Бурятская АССР. М.: Недра, 1970. 432 с.

8. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Васильчук Ю.К., Козырева Е.А., Светлаков А.А., Рыбченко А.А. Бугры пучения в долине реки Сенца, Окинское плоскогорье, Восточный Саян // Успехи современного естествознания. - 2016. - № 3. - С. 121-126.

9. Светлаков А.А., Козырева Е.А., Алексеев С.В. Температурный режим многолетнемерзлых грунтов в долине р. Сенца // Мат-лы XXVII Всерос. молод. конф. с участием исслед. из др. стран «Строение литосферы и геодинамика». Иркутск, 2017. С. 205.

10. Рященко Т.Г. Региональное грунтоведение (Восточная Сибирь). Иркутск: ИЗК СО РАН, 2010. 287 с.

11. Arzhannikov S.G., Braucher R., Jolivet M., Arzhannikova A.V., Vassallo R., Chauvet A., Bourles D., Chauvet F. History of Late Pleistocene glaciations in the central Sayan-Tuva Upland (southern Siberia) // Quaternary Science Reviews, 2012. Vol. 49. Pp. 16-32.

Размещено на Allbest.ru