Оценка мощности мерзлых толщ острова Новая Сибирь по данным геотермии и численного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка мощности мерзлых толщ острова Новая Сибирь по данным геотермии и численного моделирования

Гаврилов Анатолий Васильевич,

Малахова Валентина Владимировна,

Пижанкова Елена Ивановна,

Попова Александра Александровна

Аннотация

Существующие представления о мощности мерзлых пород на о. Новая Сибирь весьма неоднозначны как по формирующим факторам, так и по ее величине (от 240 до 370 м), и в целом исходят из предположения о плиоценовом начале промерзания пород. В последние 20 лет получены новые данные по истории развития региона в неоплейстоцене. Они включают продолжительное существование о. Новая Сибирь в морских условиях, исключавшее промерзание пород в это время, а также развитие оледенения в среднем неоплейстоцене. Указанные данные свидетельствуют о существенно более позднем начале промерзания острова, которое коррелирует с нестационарностью температурного поля мерзлых толщ. Подлинность данных дискутируется. Статья посвящена оценке мощности мерзлоты в соответствии с тремя возможными сценариями, позволяющими учесть разные точки зрения на геологическое развитие региона. Оценка производится с помощью численного моделирования формирования мерзлых толщ в течение последних 200 тыс. лет. Один сценарий включает существование оледенения в среднем неоплейстоцене, в двух других - оно отсутствует. Различаются последние два сценария используемыми стратиграфическими схемами. Достоверность сценариев оценивается на основании итогов сопоставления результатов моделирования по каждому из них с данными геотермии в скважине о. Новая Сибирь, полученными в 1970-х годах. Результаты сопоставления показывают, что только вариант с существованием ледника соответствует геотермическим данным. Промерзание острова в соответствии с полученными данными началось под ледником в конце среднего неоплейстоцена, существовавшим в прибрежно-морских условиях. А наиболее активно оно происходило в криохроны позднего неоплейстоцена в связи с осушением острова. Полученный результат хорошо соответствует новым данным о возрасте основных геологических тел региона, а также представлению о гляциотектонической природе дислокаций в породах верхнего мела - среднего неоплейстоцена.

Ключевые слова: Новосибирские острова; сценарий геологического развития; оледенение; гляциоизостатические движения; многолетнемерзлые породы; палеотемпературный сценарий; численное моделирование

Annotation

мерзлота геологический гляциотектонический порода

Estimation of the permafrost thickness of the New Siberia Island based on geothermal data and numerical modeling

Anatoly V. Gavrilov, Valentina V. Malakhova, Elena I. Pizhankova, Alexandra A. Popova

The current ideas about the permafrost thickness on the New Siberia Island are very ambiguous both in terms of forming factors and in its magnitude (from 240 to 370 m), and in general are based on the assumption of the Pliocene beginning of rock freezing. In the last 20 years, new data have been obtained on the history of the region's development in the Neopleistocene. They include the long existence of the New Siberia Island in marine conditions, which excluded the rocks freezing at that time, as well as the development of glaciation in the Middle Neopleistocene. These data indicate a significantly later onset of freezing of the island, which correlates with the nonstationarity of the temperature field of the frozen strata. The authenticity of the data is debated. The article is devoted to assessing the thickness of permafrost in accordance with three possible scenarios, allowing to take into account different points of view on the geological development of the region. The assessment is made using numerical modeling of the formation of frozen strata over the past 200 thousand years. One scenario includes the existence of glaciation during the Middle Neopleistocene, while in the other two it is absent. The last two scenarios differ in the stratigraphic schemes used. The reliability of the scenarios is assessed based on a comparison of the modeling results for each of them with geothermal data in a well on the island of New Siberia, obtained in the 1970s. The comparison results show that only the version with the existence of a glacier is consistent with the geothermal data. According to the data obtained, freezing of the island began under the glacier at the end of the Middle Neopleistocene, which existed in coastal-marine conditions. The most active increase in the frozen strata thickness dates back to the late Neopleistocene due to the drainage of the island. The obtained result is in agreement with new data on the age of the main geological bodies of the region, as well as with the idea of the glaciotectonic nature of dislocations in the Cretaceous - Middle Neopleistocene rocks.

Keywords: New Siberian Islands; scenario of geological development; glaciation; glacioisostatic movements; permafrost; paleotemperature scenario; numerical modeling.

Введение

На рубеже XX-XXI веков в региональной геокриологии и четвертичной геологии восточно-сибирского сектора Арктики обозначились проблемы.

1.1. Проблемы региональной геокриологии. В сводках по региональной геокриологии России (Геокриология СССР..., 1989; Геокриологическая карта..., 1996) и Мира (Основы геокриологии., 1998) характеристика мощности криолитозоны и яруса многолетнемерзлых пород (ММП) на островах Северного Ледовитого океана осуществлена на основе общих экспертных оценок. Указанное всецело относится к оценке мощности ММП о. Новая Сибирь (архипелаг Новосибирские острова). Обоснованные сведения о мощности имеют значение для познания региональной геокриологии, включая верификацию данных о шельфовой мерзлоте, получаемой с помощью расчетных или геофизических методов. Подобные сведения требуются и в планировании экономико-социального развития Арктики. Прилегающий шельф оценивается как перспективный на углеводородное сырье. Важнейшее значение имеет также создание инфраструктуры Северного морского пути, роль которого в экономике Арктики и обеспечении национальной безопасности России, продолжает возрастать.

Геотермические данные по Новосибирским островам получены в 1970-х годах в ходе геологической съемки масштаба 1:200 000. В опубликованном виде они содержатся в работах (Соловьев, 1981; Зайцев и др., 1989; Зайцев, 1998). Эти данные позволили описать температурный режим и водно-физические свойства пород верхней 100-200 метровой части разреза к северу от континента - на островах Анжу и Ляховских (7376°с.ш.). Их характеристику и опубликованные результаты оценки мощности ММП можно представить следующим образом.

1. Подошва ММП бурением до глубины 215 м (скважина «с-А» на о. Новая Сибирь, рис. 1) не вскрыта. Мощность ММП и криолитозоны в целом по электроразведочным данным (Соловьев, 1981) не превышает 400-500 м. Такими значениями характеризуются результаты интерпретации профиля ВЭЗ. Он пройден от о. Котельный через север Земли Бунге до Стрелки Анжу на острове Фаддеевский В настоящем сообщении используется прежнее, исторически сложившееся название «о. Фаддеевский», фигурирующее на топографических картах 1980-х гг. В настоящее время на общегеографических картах он назван полуостровом острова Котельный..

2. Температура пород на подошве слоя ее годовых колебаний характеризуется значениями -11..,-15°С. Разрезу островов Новая Сибирь и Ляховские в диапазоне глубин 20 - 200 м свойственны большие величины геотермического градиента. Независимо от геологического строения и рельефа они достигают 5-6°С/100 м (Соловьев, 1981; Зайцев и др., 1989). Эти величины дали основание В.А. Соловьеву предположить высокую плотность теплового потока из недр для региона в целом.

3. В качестве ориентира для мощности ММП при ее оценке В.А. Соловьевым были приняты данные ВЭЗ. А сама оценка осуществлена на основании геотермических градиентов. Их высокие значения этим исследователем использованы для получения нижнего предела мощности ММП, а значения 2-3°С/100 м - для определения ее верхнего предела.

Полученные мощности (от 275-300 до 450-600 м) (Зайцев и др., 1989) использованы при составлении региональных сводок по криолитозоне России (Геокриологическая карта., 1996) и Мира (Основы геокриологии., 1998). На первой из них Новосибирские острова характеризуются меньшей (300-500 м) мощностью ММП, нежели расположенные южнее приморские низменности - (500-700 м). Во второй, наоборот, подчеркивается широтная зональность в распределении мощности при ее максимуме на побережье континента и островах - 500 м и более. При этом авторы сводок исходят из существования стационарного температурного поля в толще пород (промерзание с плиоцена), которое таковым является лишь на континенте. На о. Новая Сибирь по данным В.А. Соловьева оно носит нестационарный характер.

В течение 2000-х годов получены новые данные по истории геологического развития островов Новая Сибирь и Фаддеевский в среднем неоплейстоцене-голоцене. Они позволяют увязать высокие геотермические градиенты с историей развития региона и более определенно оценить мощность ММП. Для оценки привлекаются как данные геотермических наблюдений в скважине «с-А», так и численное моделирование. В связи с дискуссией вокруг возможности существования оледенений в восточной Арктике и возрасте отложений нерпичинской и канарчакской свит моделирование осуществлялось при трех сценариях геологического развития региона. Реалистичность каждого сценария выявляется по степени соответствия результатов моделирования геотермическим данным, полученным по скважине «с-А» (рис. 1). Одновременно указанная степень соответствия дает возможность судить об обоснованности каждой из конкурирующих схем геологического развития региона.

В геолого-структурном отношении о. Новая Сибирь относится к эпипозднекиммерийской платформе. Она охватывает шельф морей Лаптевых, ВосточноСибирского и приморские низменности на континенте (Государственная..., 1999; Басилян, Никольский, 2007). Чехол платформы представлен апт-голоценовыми образованиями. Это отложения бунгинской и деревянногорской свит верхнего мела, анжуйской свиты эоцена, нерпичинской и канарчакской свит неоплейстоцена. Их суммарная мощность достигает 400 м. На выступе фундамента (север острова), представленного терригенными юрскими породами, мощность чехла сокращается до 60 м.

1.2. Проблемы четвертичной геологии. Эти проблемы связаны с появлением новых данных в геологии среднего неоплейстоцена-голоцена. К ним можно отнести - возраст нерпичинской и канарчакской свит, слагающих береговые обнажения о. Новая Сибирь, существование оледенения, охватывавшее острова де Лонга, Новая Сибирь, Фаддеевский и прилегающий шельф, возраст и причины складчатых деформаций отложений острова. Все три вопроса кайнозойской истории относятся к проблемным, дискуссия по которым представляется актуальной в связи с составлением в настоящее время Государственной геологической карты третьего поколения на площадь листа S55, 56.

Возможность оледенения в восточном секторе Арктики из-за криоаридности обстановок в криохроны отрицается уже не менее полувека. Обострение дискуссии в последнее время связано с получением данных о хлоридно-натриевом составе пластового льда о. Новая Сибирь (Иванова, 2012). Комплекс новых данных по четвертичной истории островов Новая Сибирь, Фаддеевский и окружающего шельфа, можно описать следующим образом.

1. На указанных островах изучены пластовые льды. Показано, что это остатки неоплейстоценового ледника (Анисимов и др., 2006; Басилян, Никольский, 2007; Тумской, 2012; 2023), центр которого предположительно находился на островах Де Лонга. Отложения ледникового осадочного комплекса зафиксированы картой четвертичных образований России масштаба 1:2 500 000 (Карта четвертичных..., 2013).

2. В строении четвертичных отложений островов Новая Сибирь и Фаддеевский выделяются два структурных этажа: толща, смятая в складки, и недислоцированные отложения, залегающие выше. На контакте этих комплексов наблюдается несогласие. Оно прослеживается на севере островов Новая Сибирь и Фаддеевский и является надежным региональным стратиграфическим репером (Басилян, Никольский, 2007, Голионко и др., 2019).

Интенсивные дислокации нижнего этажа связаны с деятельностью ледника, т.е. это - гляциодислокации. Весь же комплекс дислоцированных мезокайнозойских отложений, включая пластовый лед и ледогрунты, по сути, является основной чешуйчатой мореной. На ней залегает абляционная морена, а еще выше - недислоцированная верхне-канарчакская толща позднего неоплейстоцена. Для дислоцированной толщи характерны совместные (согласованные) деформации осадочных пород, пластовых льдов и ледогрунтов.

1. Возраст отложений разреза островов Новая Сибирь и Фаддеевский обоснован использованием комплекса биостратиграфических методов и радиологического датирования (Басилян и др., 2010; Басилян, Никольский, 2007, Голионко и др., 2019). Дислоцированные и недислоцированные морские отложения в целом по фауне моллюсков сопоставляются с неоплейстоценом. Полученные в настоящее время U/Th датировки по раковинам моллюсков позволяют сопоставить нерпичинскую свиту и трансгрессивную (нижнюю) часть канарчакской свиты со средним неоплейстоценом, а регрессивную (верхнюю) часть канарчакской свиты с нижней частью позднего неоплейстоцена.

2. В связи с существованием ледника в перигляциальной зоне (о. Б. Ляховский, южный берег пролива Дм. Лаптева) в МИС-6 формировались флювиогляциальные отложения. К ним относятся малольдистые алевриты и пылеватые пески куччугуйской свиты, нетипичные для криохронов Восточно-Сибирской Арктики (Тумской, 2012 2023).

Методы оценки мощности мерзлых толщ

Исследования проводятся путем анализа фактических данных и численного моделирования. Последнее предполагает осуществление следующих этапов работ:

1) задание начальных температурных условий;

2) построение концептуальных моделей (сценариев) истории геологического развития региона в виде моделей эволюции температуры пород;

3) составление геологической модели, характеризующей условия теплопередачи в массиве пород, и плотность теплового потока из недр (или геотермический градиент);

4) численное моделирование формирования температуры и мощности мерзлых пород;

5) оценка достоверности полученных модельных данных.

2.1. Описание численной модели. Для расчета теплового состояния ММП используется одномерная модель теплофизических процессов в их толще с учетом фазовых переходов между мерзлыми и талыми отложениями (Malakhova, Eliseev, 2020).

Распространение тепла в отложениях описывается посредством решения одномерного уравнения теплопроводности:

С, дТ / dt = ( д / dz ) (Xi дТ/ dz ), (1)

На границе между мерзлыми и талыми породами (Zf) допускается условие равенства температуры пород температуре замерзания воды Tf и условие Стефана для подвижной границы фазовых переходов:

при z = Zf: Xth (дТ/ dz)th - Xf (дТ/ dz)f = LWpD dZf / dt (2)

На верхней границе расчётной области:

при z = 0: T = Tb (3)

На нижней границе расчётной области (Hs = 1500 м) задается геотермический поток G:

при z = Hs: Xth дТ / dz = G (4)

Используемые обозначения: T - температура отложений, t - время, z - глубина от земной поверхности, Сі - объемная теплоемкость отложений, ki - коэффициент теплопроводности отложений (нижний индекс i принимает одно из значений мёрзлые или "й" талые отложения), W - относительное влагосодержание пород, L - удельная теплота замерзания и таяния воды в порах отложений (L = 3.35-10⁵ Дж/кг), рэ - плотность скелета, Tb - температура на поверхности отложений, G - геотермический поток.

Физические и теплофизические свойства пород, используемые при численном моделировании, зависят от глубины залегания и состава пород и задавались в соответствии с принятой геологической моделью. Мы предполагаем, что поры пород полностью заняты водой или льдом.

Граничное условие на поверхности отложений (3) определяется периодами трансгрессий-регрессий с учетом изменения уровня моря, существования или отсутствия ледниковых условий за последние 200 тысяч лет.

Численная реализация модели (1) - (4) основана на методе прогонки на дискретной вычислительной сетке с вертикальным шагом 0,5 м и неявной схеме по времени с шагом 1 месяц.

2.2 Метод составления палеотемпературного сценария. Для региона, включающего Новосибирские острова и прилегающие низменности севера Якутии, нет палеотемпературных данных, необходимых для построения сценария. Поэтому при его создании использовались изотопные палеотемпературные кривые, полученные по ледниковым кернам Восточной Антарктиды, отражающие ход глобальных колебаний климата. Они трансформируются с помощью палеотемпературных реконструкций, полученных для отдельных временных отрезков на указанных островах и приморских низменностях севера Якутии, развивавшихся в позднем кайнозое как единый регион. Дискретные региональные температурные данные используются как региональные палеотемпературные реперы. Такой подход позволил преобразовать изотопную антарктическую палеотемпературную кривую в непрерывную во времени региональную кривую эволюции температуры пород (Гаврилов, 2008). В качестве таких реперов использованы реконструкции, составленные на основе данных о ширине элементарных жилок в повторно-жильных льдах (ПЖЛ) (Каплина, Кузнецова, 1975), построенные по распределению основных породообразующих минералов по гранулометрическому спектру (Конищев, 1999), сведения о криометаморфизации подземных вод в процессе промерзания (Фотиев, 1997). Принимались во внимание также реконструкции, построенные по данным изотопного состава повторно-жильных льдов (Деревягин и др., 2010), и комплексу палеоэкологических данных (Andreev et al., 2004, Wetterich et al., 2016).

Сценарии истории геологического развития региона

Сценарий «А» составлен в соответствии с хроностратиграфией (Тумской, Басилян, 2006; Басилян и др., 2010; Wetterich et al., 2016) и с существованием покровного оледенения (Анисимов и др., 2006; Басилян и др., 2010; Тумской, 2023). В сценарии «Б» используется та же стратиграфическая схема, но без существования ледника. Сценарий «В» составлен в соответствии со стратиграфической схемой (Геологическая карта, 1981; Государственная..., 1999), где оледенение в перечне геологических событий среднего неоплейстоцена также не значится.

2.1. Составление сценария истории геологического развития региона в течение последних 200 тыс. лет в соответствии с новыми данными

При создании сценария «А» возникла необходимость составления моделей эволюции уровня моря и температуры пород (сценарий «А») и модели гляциоизостатических движений земной поверхности (ложа ледника). Геологическая модель включает в себя задание порядка напластования пород, их водно-физических, теплофизических свойств и плотности геотермического потока из недр.

2.1.1. Начальные температурные условия. С конца раннего до начала позднего неоплейстоцена район островов Новая Сибирь и Фаддеевский представлял собой морской залив. Здесь в условиях более теплого и мягкого климата по сравнению с современным (Басилян, Никольский, 2007; Голионко и др., 2019) осуществлялось накопление осадков нерпичинской и канарчакской свит. В соответствии с данными о составе комплекса моллюсков из отложений свит, залив был опреснен, а глубины не превышали 20-50 м (Басилян, Никольский, 2007; Голионко и др., 2019 Объяснительная., 1999). Температура воды - около 200 т.л.н. (начальные температурные условия), - согласно вышеуказанным данным, принята в сценарии равной минус 1,0°С.

2.1.2. Оледенение и модель гляциоизостатических движений земной коры.

Известно, что динамика земной поверхности и недр районов оледенений определяется воздействием ледниковой нагрузки, последующей разгрузки и обусловленным ими перемещением вещества земной коры и верхней мантии (астеносферы) (Ушаков, Красс, 1972). Погружение поверхности под ледником сопровождается вытеснением подкорового вещества под его тяжестью. При дегляциации происходит обратный процесс: земная поверхность (ледниковое ложе) поднимается, как минимум, на такую же величину.

Указанный процесс в выполненных исследованиях отражен в виде гляциоизостатической модели (рис. 2). Для ее составления использовались непосредственные данные или реконструкции абсолютных отметок земной поверхности (ледникового ложа) в трех «точках» на шкале времени. Первая временная точка - это период оледенения, вторая - современность и третья - период осушения.

Итак, первая временная точка. Реконструируются абс. отметки ледникового ложа в период оледенения МИС-6. Для этого используются сведения о падении уровня моря в пессимум МИС-2 и фаунистические данные нижне-канарчакских отложений, позволяющие оценить глубину моря. Принимается, что в МИС-6 арктический шельф осушался так же как и в МИС-2 (Bauch et al., 2001). По сейсмоакустическим данным, регистрирующим развитие мерзлых отложений в верхней части континентального склона (Романовский и др., 1997), осушение достигало отметок минус 120 м. Поэтому указанные значения приняты в качестве высотного положения береговой линии во время МИС-6. Сведения о видовом составе нижне-канарчакской фауны морских моллюсков показывают, что море могло достигать глубин около 50 м (Государственная..., 1999). В сумме указанные сведения дали возможность оценить абс. отметки ледникового ложа как составляющие минус 170 м.

Вторая временная точка - современность. Современные абс. отметки ледникового ложа МИС-6 - это абс. отметки контакта совместно дислоцированных комплексов верхнего мела-среднего неоплейстоцена с недислоцированными верхнеканарчакскими отложениями или абс. отметки подошвы последних. На севере острова, представляющем гляциоизостатически поднятую послеледниковую равнину, они составляют 30-40 м. Южная часть острова, кроме района поднятия Деревянные Горы, по-преимуществу перекрыта отложениями ледового комплекса (ЛК) (Тумской, 2012; Басилян, Никольский, 2007). В береговых обрывах, склонах долин рек и оврагов в основном обнажаются только верхне-канарчакские отложения. Лед вскрывается лишь в скважинах Благовещенского пролива в 1 км от берега, на мысе Рожина, а также к юговостоку от мыса Утес Деревянных Гор. В первой из этих скважин он представлен пластами мощностью 3 и 1 м на глубине 41 и 47 м (Соловьев и др., 1987). В соответствии с геологическим строением на севере острова современное высотное положение палеоложа задается в районе отметок 30 м (кривая 3, рис. 2), на юге - предположительно - в диапазоне 0 - минус 20 м (кривая 2, рис. 2).

Третья временная точка - период осушения - задается как период расселения на острове мамонтовой фауны. Выше указана его дата - не позднее 54 т.л.н. Она относится к концу пессимума МИС-4. Начало расселения целесообразно относить к середине или даже началу МИС-4 (календарное время около 65 или 70 т.л.н. соответственно). По очертаниям кривых 1-3 (рис. 2) можно понять, что осушение должно было происходить усиленными темпами. Гляциоэвстатическое по своей природе, оно осуществлялось на фоне неуклонного гляциоизостатического подъема земной поверхности (ледникового ложа). Абс. высоты поверхности в период осушения реконструируются исходя из кривой 1 (рис. 2). На юге острова они задаются равными минус 80 м, а время осушения - около 70 т.л.н. Реконструкция осушения севера острова рассматривается ниже.

3.1.3. Палеотемпературная модель позволяет задать верхние граничные условия при моделировании (рис. 3). В истории развития региона (сценарий «А», рис. 3А) выделяются четыре этапа: доледниковый (рубеж раннего и среднего неоплейстоцена - около 190 т.л.н.), ледниковый (190-130 т.л.н), этап дегляциации (от 130 до 70-55 т.л.н.) и этап континентального развития и многолетнего промерзания пород (от 70-55 т.л.н. до современности).

Первый этап описан выше. Оледенение в течение второго этапа происходило на фоне двух разнонаправленных процессов: глобального падения уровня морей в МИС-6 (рис. 2, кривая 1) и погружения ледникового ложа под действием ледниковой нагрузки. Погружение было действеннее (рис. 2, кривая 2). Об этом свидетельствует накопление трансгрессивной толщи канарчакской свиты в МИС-6 (Басилян, Никольский. 2007). Поэтому сценарием задано, что оледенению сопутствовали прибрежно-морские и морские условия. Ледник производил экзарационно-аккумулятивную деятельность. Будучи примерзшим к дну, он возвышался над уровнем моря, являясь проводником атмосферного холода в толщу пород. Для оценки температуры пород под ледником использовалось значение геотермического градиента (2°С/100), полученного по геотермическим наблюдениям в наиболее представительной скважине в пос. Тикси (Девяткин, 1998). Отепляющее влияние ледника равнялось 12°С. Температура субгляциальных пород составляла минус 15°С.

Третий этап на юге о. Новая Сибирь - процесс дегляциации - растянулся на всю стадию МИС-5 (130-70 т.л.н.). В его раннюю фазу (130-88 т.л.н.) ледник возвышался над уровнем моря. Для поздней (88-70 т.л.н.) - принято, что остатки ледника, как и прежде, примерзшего к дну, в основном находились под водой. Охлаждающее влияние ледника в раннюю фазу ощущалось в радиусе сотен километров от него. В результате во время теплого межледниковья - МИС-5е - на Ляховских островах и континентальном побережье формировался выделенный В.Е. Тумским (2012; 2023) быччыгыйский ледовый комплекс. Зимы по данным изотопного состава повторно-жильных льдов (ПЖЛ) были столь же холодными как в криохроны МИС-4 и МИС-2 (Wetterich et al., 2016; Opel et al., 2017). Быччыгыйский ЛК формировался в течение МИС-5е-Ь. Температура пород в модели в это время задавалась понижающейся по мере сокращения мощности ледника и изменявшейся на этом фоне в соответствии с колебаниями температуры воздуха: от -15 до -21 °С (рис. 3).

Поздняя фаза дегляциации соответствовала потеплению МИС-5а, которое, как и потепление МИС-5с, реконструируется по двум торфяным линзам в толще быччыгыйского ЛК. Они связаны с развитием озерного термокарста по быччыгыйским ПЖЛ. Даты торфяников IRSL 99±19; 102±16 т.л.н. (Andreev et al, 2004) и Th/U 98±5 т.л.н. относятся к МИС-5с, а дата Th/U 89±5 т.л.н. (Wetterich et al., 2016) - к МИС 5a. Температура июля в потепления была на 4-5°С выше современной (Деревягин и др., 2010). В условиях холодных быччыгыйских зим температура донных отложений постепенно мелеющего моря принята равной -1,8°С.

Северная часть о. Новая Сибирь в отношении распространения, мощности пластовых льдов и абс. высот их кровли существенно отличается от южной. Известно, что центрально-ледниковые области наиболее изученных Лаврентийского и Скандинавского плейстоценовых ледниковых щитов продолжают изостатически подниматься, тогда как периферийные - давно остановились в поднятии или начали опускаться. Подобная аналогия усматривается и в отношении северной и южной, явно периферийной, частей рассматриваемого Новосибирского ледника. Поэтому в предположении о незавершенности поднятия севера острова в его пределах задана более поздняя смена морских условий континентальными. На севере о. Новая Сибирь у обнажения «Вершина» зафиксирован торфяник, свидетельствующий о развитии озерного термокарста по ЛК позднего неоплейстоцена. Он мог формироваться исключительно в континентальной обстановке. Наличие запредельной С¹⁴ датировки в наиболее древнем горизонте торфяника (от >28 до 18,9 т.л.н. (Павлова и др., 2010) показывает необходимость учета также более ранних потеплений в МИС-3. Свидетельства таковых зарегистрированы лишь на континенте: в дельте р. Лены (около 44 т.л.н. (Schirrmeister еt al., 2003), в низовьях р. Колымы (от 37 до 43,7 т.л.н. (Каплина, 1987). Исходя из перечисленного, время осушения было задано около 55 т.л.н. Оно предусматривает также наличие времени для накопления ЛК.

Четвертый этап является этапом континентального развития острова Новая Сибирь (70-55 т.л.н. - современность). Это период интенсивного многолетнего промерзания пород. Его началом явилась смена накопления регрессивной толщи канарчакской свиты накоплением ЛК позднего неоплейстоцена. Для задания среднегодовой температуры пород в криохроны в качестве одних из ключевых принимались реконструкции, полученные на основе геокриологических методов (Конищев, 1999; Каплина, 1987). Их использование дает понижение температуры пород в пессимумы позднего неоплейстоцена на уровне 10-15°С по сравнению с современными. Принципиально они хорошо соотносятся с температурами формирования ионно-солевого состава криопэгов, рассчитанными для морских террас низовий Колымы (-22...-25°С) (Фотиев, 1997). Указанные данные качественно соотносятся с данными по изотопному составу ПЖЛ (5¹⁸Опжл): наиболее легкие значения 5¹⁸Опжл среди фоновых для криохронов соответствуют ЛК МИС-2, МИС-4 и отложениям куччугуйской свиты (Opel et al., 2017).

Послеледниковая и голоценовая части модели строились на основе анализа многочисленных данных по динамике растительности (Andreev et al., 2004), насекомых, по развитию озерного термокарста (Шер, 1997); данных 5¹⁸Опжл (Деревягин и др., 2010); по послеледниковой истории палеосреды акватории с учетом послеледниковых изменений изотопного состава Гренландского ледника (Dаnsgaard et al., 1993).

Сценарии с отсутствием ледника

Сценарий «Б» отличается от сценария «А» только отсутствием ледника. Большую часть расчетного времени 200-70 т.л.н. прибрежно-морские условия практически исключали промерзание пород. О начале промерзания на рубеже МИС-5а и МИС-4 свидетельствует наличие регрессивной пачки недислоцированных верхне-канарчакских отложений. Период многолетнего промерзания в субаэральных условиях насчитывает 70 тыс. лет.

Вариантом сценария «В» задаются внеледниковые условия и соответствие стратиграфической схеме (Геологическая карта, 1981; Государственная., 1999), где отложения канарчакской и нерпичинской свит, слагающие разрез берегового уступа о. Новая Сибирь, относились к плиоцену - эоплейстоцену и верхнему олигоцену-нижнему миоцену - соответственно.

В течение расчетного периода поднятие Деревянных Гор характеризуется существованием континентальных условий. Морские условия получали развитие только на севере острова. Это имело место в течение МИС-6 (III морская терраса в результате трансгрессии Анжу-I (Геологическая карта, 1981; Государственная., 1999)) в пределах выделяемой в варианте «А» послеледниковой морской террасы. В МИС-5е формировались фрагменты II морской террасы на севере и западе острова.

2. Геологическая модель. Геологическая модель строилась на основании данных о геологическом строении островов Новая Сибирь и Фаддеевский (Геологичекая карта..., 1981, Государственная..., 1999, Басилян и др., 2010 Анисимов и др., 2006, Басилян, Никольский, 2007, Тумской, 2012, Голионко и др., 2019) и результатов геотермических наблюдений в скважине «с-А». Они проведены до глубины 200 м (рис. 4, Зайцев и др., 1989). Это район неотектонических поднятий в юго-западной части о. Новая Сибирь (урочище Деревянные Горы). Урочище представляет собой приподнятую глубоко расчлененную местность близ побережья. Важным элементом ее геологического строения является наличие в составе залегающих с поверхности пород деревянногорской свиты (K2dr) бурых углей с прослоями глин. Суммарная мощность углей на Деревяногорском месторождении варьирует от 35 до 46 м (Геологичекая карта., 1981, Государственная., 1999).

Водно-физические и теплофизические свойства пород задавались на основе результатов геологической съемки Новосибирских островов и литературных данных (Гаврильев, 2013, Физические свойства., 1984). Плотность теплового потока из недр - 60 мВт/м² - задавалась на основе анализа данных (Davies, 2013, Девяткин, 1993).

Результаты моделирования и обсуждение

Модельное распределение температуры пород по глубине или геотермические градиенты (рис. 5, №№ 3-5), достаточно близкие к фактическим, отличаются от них в интервале глубин 40-120 м. Это обусловлено разреженностью точек наблюдений в скважине. К интервалу 40-120 м приурочена серия пластов малотеплопроводного бурого угля. Бурый уголь весьма существенно увеличивает градиент. Модельные градиенты отражают их связь с последовательностью напластования пород, обладающих разной теплопроводностью, градиент, полученный в процессе измерений, - не отражает. По этой причине модельные мощности ММП (248-278 м, рис. 5) отличаются в большую сторону от значения мощности (240 м), полученного по экстраполяции данных измерений в скважине.

Для удобства будем оперировать в дальнейшем со значениями мощности ММП. Результаты моделирования в варианте «А» в целом (248-278 м, рис. 5, №№ 3-5) показывают хорошее соответствие нижнему пределу мощности ММП (240 м), полученному В.А. Соловьевым после введения поправок за счет 11 -летних колебаний температуры воздуха (Зайцев, 1989).

По результатам расчетов в сценарии «Б» мощность ММП составляет 90 м. Это совершенно не соответствует геотермическим данным (рис. 4, 5). Результат моделирования в варианте «В» - мощность ММП, равная 510 м, - характеризует континентальные условия их формирования все 200 тыс. лет. Ведь морские и прибрежноморские обстановки, свойственные нерпичинской и канарчакской свитам, отнесены, согласно стратиграфической схеме (Геологическая карта, 1981; Государственная..., 1999), к олигоцен-эоплейстоцену. Результаты расчетов также не соответствуют геотермическим данным скважины «с-А». Проведенный анализ показывает: результаты моделирования отвечают палеогеографической схеме, предусматривающей существование оледенения в МИС-6.

Существование Новосибирского оледенения в МИС-6 поддерживается историей развития криосферы региона в среднем неоплейстоцене-голоцене. На Новосибирских островах описан целый перечень разновозрастных толщ ЛК от МИС-2 до МИС-7, исключая МИС-6 (Тумской, 2023). Вместо ЛК в МИС-6 формировался ледниковый осадочный комплекс, включающий ледниковые и флювиогляциальные отложения. Основная морена маломощна. Но доледниковые отложения (верхний мел - средний неоплейстоцен) интенсивно дислоцированы в связи с деятельностью ледника. Именно эту дислоцированную толщу исследователи (Голионко и др., 2019) считают основной чешуйчатой мореной. На ней, как указано выше, залегает абляционная морена.

Весьма выразительными являются флювиогляциальные отложения. Они представлены толщей малольдистых алевритов куччугуйской свиты мощностью до 15 м на обоих берегах пролива Дм. Лаптева (Тумской, 2012; 2023). Влияние ледника зафиксировано в легком изотопном составе ледяных куччугуйских жил. Он свидетельствует об экстра-холодных условиях флювиогляциального осадконакопления. Оледенение, по-видимому, надо относить к локальным, оно не может сравниваться с таковыми в западном секторе Российской Арктики.

Однако имеют место сомнения и возражения. Представленный выше перечень сведений можно считать ответом на сомнения (Гусев и др., 2022) в возможности существования ледников. Другие исследователи считают пластовые льды островов Новая Сибирь и Фаддеевский внутригрунтовыми. Так, на примере разреза в районе полярной станции Марре-Сале на западном берегу п-ова Ямал установлено, что процесс смены морского осадконакопления континентальным на рубеже МИС-3/МИС-2 сопровождается промерзанием в условиях открытой системы при мелеющем море с формированием пластовых льдов внутригрунтового генезиса (Стрелецкая и др., 2013;

Стрелецкая, 2021). Этот вывод, полученный с применением широкого комплекса методов, был подтвержден во многих других частях севера Западной Сибири. Внутригрунтовым на этом основании считается также пластовый лед островов Фаддеевский и Новая Сибирь.

И.Д. Стрелецкая обращает внимание исследователей также на то, что стенки обнажений пластовых льдов, многократно оттаивая и промерзая, под воздействием склоновых процессов изменяют свой облик, нередко кардинально. Поэтому рисунок и масштаб наблюдаемых на обнажении пликативных и дизъюнктивных структур может совершенно не соответствовать тем, которые сформировались в процессе оледенения, если таковое имело место.

Однако, характер гляциотектонических явлений о. Новая Сибирь совершенно не вписывается в представления о внутригрунтовой природе нижнего мореносодержащего (по В.Е. Тумскому, 2023) слоя льда. Во-первых, воздействие ледника деформировало доледниковые толщи мел-средненеоплейстоценовых пород настолько, что оказалось возможным квалифицировать их как основную морену (Голионко и др., 2019). Вовторых, дислокации, несмотря на различия в морфологии (рис. 6), объединяются такими особенностями распространения, которые представляются очевидными в случае их ледникового генезиса, и совершенно необъяснимы с позиций внутригрунтового генезиса. Это: 1) приуроченность к области контакта дислоцированных толщ с горизонтально залегающей регрессивной пачкой верхне-канарчакской свиты; 2) совместность (согласованность) деформаций подстилающих лед пород и льдов (рис. 6); 3) повсеместность наличия указанных показателей на севере островов Новая Сибирь и Фаддеевский. Перечисленные особенности распространения зафиксированы в ходе специализированных исследований складчато-надвиговых деформаций на острове. Исследовались разрезы мысов Высокий, Жилой, Гористый, Каменный и Утес Деревянных Гор в 2016-17 гг. (Голионко и др., 2019). Наличие кливажа в складках и будинажа вдоль поверхности сместителя деформированных пород (рис. 6б) свидетельствуют о том, что при деформации они находились в мерзлом состоянии: участие пластового льда в деформациях в оттаявшем состоянии априори невозможно (Голионко и др., 2019). Рассогласованности складок на контакте льда и подстилающих отложений среднего неоплейстоцена - основного признака послеледникового изменения строения разреза, - несмотря на потепления, зафиксированные на острове, нет. Строение льда повсеместно демонстрирует неизменность гляциодинамических текстур, отражающих особенности деятельности ледника.

Другим показателем существования оледенения и отсутствия послеледниковых изменений в макрорельефе является наличие гляциоизостатической 30-40 метровой морской террасы на севере островов Новая Сибирь и Фаддеевский. В ее образовании участвовала также экзарационная деятельность ледника. Своеобразным цоколем террасы является комплекс дислоцированных отложений с пластовым льдом, а аккумулятивной частью - горизонтально залегающая регрессивная прибрежно-морская толща верхне-канарчакской свиты.

На о. Новая Сибирь изучен гидрохимический и изотопный состав пластового льда (Иванова, 2012). По общей минерализации нижний слой льда в соответствии с классификацией природных вод М.С. Гуревича и Н.И. Толстихина (Гидрогеология, 1984) относится к нормально пресному и очень пресному, верхний слой - к очень пресному и наиболее пресному. В соответствии с классификацией по компонентам химического состава О.А. Алекина (Гидрогеология, 1984) льды Новой Сибири относятся к хлоридно-натриевым.

Безусловно, обмеление моря при смене морских обстановок континентальными способствует формированию инъекционных пластовых льдов (Стрелецкая и др., 2013; Стрелецкая, 2021). Однако этот вывод получен для существенно менее масштабных явлений и в более мягких климатических и геокриологических условиях. Существование субмаринных таликов на рубеже МИС-4/МИС-5, способных обеспечить формирование гигантской инъекционной залежи или залежей вдоль несогласия внутри канарчакской свиты представить невозможно. Ведь ее (или их) суммарная протяженность от восточного берега о. Новая Сибирь до западного - о. Фаддеевский, составляет около 200 км, а мощность достигает двух-трех десятков метров. Не следует забывать, что МИС-5 была холоднее голоцена. Термокарст имел меньший масштаб. В МИС-5 формировался быччыгыйский ЛК, условия формирования которого сравнимы по температурным характеристикам с МИС-4, МИС-3 и МИС-2.

Необходимо отметить также возможность включения в состав морены и засоленных морских осадков, ведь оледенение островов Новая Сибирь и Фаддеевский происходило в морских условиях. Ю.А. Лаврушин (1976) «морской» состав проб с ряда ледников (о. Северо-Восточная Земля, Шпицберген и Земля Адели, Антарктида) связывает с соответствующим составом атмосферных осадков. На Новой Сибири хлоридно-натриевыми оказались пробы из современного снега, снежника, реки; хлоридно-кальциевыми - из озера и сезонно-талого слоя (Иванова, 2012).

В связи с вышеуказанным представляется, что дискуссия о генезисе пластовых льдов еще далека от завершения и настоящая статья в плане указанной дискуссии представляет несомненный интерес.

Выводы

1. Постановка и решение задачи формирования мерзлых толщ в соответствии с тремя сценариями, отражающими различные точки зрения на историю геологического развития восточной части островов Анжу, и учетом геотермических данных, показали, что единственно приемлемым является сценарий с существованием оледенения в среднем неоплейстоцене.

2. Мощность мерзлоты на о. Новая Сибирь по данным моделирования, соответствующим геотермии в скважине в районе поднятия Деревянных Гор, варьирует от 248 до 278 м в зависимости от теплопроводности и мощности пластов бурого угля верхнего мела.

3. Полученный результат хорошо соответствует распространению и возрасту основных геологических тел региона. Это нерпичинская и канарчакская свиты морских отложений, формировавшихся последовательно с раннего до начала позднего неоплейстоцена, а также разновозрастные ЛК (МИС-2...МИС-5; МИС-7). Обращает на себя внимание отсутствие на островах Новая Сибирь и Фаддеевский пород ледового комплекса МИС-6. Вместо ЛК в МИС-6 формировались флювиогляциальная куччугуйская свита (Тумской, 2012; 2023), а также происходили гляциотектонические дислокации в породах верхнего мела - среднего неоплейстоцена.

4. В настоящее время нерешенным остается вопрос о генезисе пластового льда, входящего в состав дислоцированных толщ, перекрываемых горизонтально залегающими канарчакскими отложениями начала позднего неоплейстоцена. На контакте этих толщ наблюдается угловое несогласие. Оно прослеживается на севере островов Новая Сибирь и Фаддеевский на протяжении 200 км. Неважно, каким при опробовании оказывается химический или изотопный состав современного льда на контакте указанных толщ. Важно то, что названное несогласие имеет очень большую протяженность и своим формированием связано с существованием ледникового льда на рубеже среднего и верхнего неоплейстоцена.

Литература

1. Анисимов, М. А., Тумской, В. Е., Иванова, В. В. (2006). Пластовые льды Новосибирских островов как реликт древнего оледенения. Материалы гляциологических исследований, 101, 143-145.

2. Басилян, А. Э., Никольский, П. А. (2007). Опорный разрез четвертичных отложений мыса Каменный (Новая Сибирь). Бюл. Комис. по изучению четвертичного периода, 67, 76-84.

3. Басилян, А. Э., Анисимов, М. А., Никольский, П. А. (2009). Оледенение Новосибирских островов: определяющий фактор строения квартера. В: Труды XLII Тектонического совещания. М.: ГЕОС, т. 1, 43-45.

4. Басилян, А. Э., Никольский, П. А., Максимов, Ф. Е., Кузнецов, В. Ю. (2010). Возраст следов покровного оледенения Новосибирских островов по данным ²³⁰Th/U - датирования раковин моллюсков. В: Строение и история развития литосферы. М.: Paulsen, 506-514.

5. Гаврилов, А. В. (2008). Криолитозона арктического шельфа Восточной Сибири (современное состояние и история развития в среднем плейстоцене - голоцене). Автореферат дисс. доктора геолого-минералогических наук. М., 48 с.

6. Гаврильев, Р. Г. (2013). Каталог теплофизических свойств горных пород СевероВостока России. Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 172 с.

7. Геокриологическая карта СССР. Масштаб 1:2 500 000 (1996). Гл. ред. Э.Д. Ершов. МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра геокриологии. Лист 3. Государственная картографическая фабрика. Винница (Украина), 16 л.

8. Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток (1989). Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Недра, 515 с.

9. Геологическая карта. Листы S-55-VII,VIII,IX; X,XI,XII, масштаб 1:200 000, первое издание (1981). Ленинградская фабрика объединения «Аэрогеология».

10. Гидрогеология (1984). Под ред. Шестакова В.М., Орлова М.С.. М., Изд-во МГУ, 317 с.

11. Голионко, Б. Г., Басилян, А. Э., Никольский, П. А., и др. (2019). Складчатонадвиговые деформации о. Новая Сибирь (Новосибирские острова, Россия): возраст, морфология и генезис структур. Геотектоника. № 6, 46-64. https://doi: 10.31857/S0016853X2019646-64

12. Горная энциклопедия (http://www.mining-enc.ru/b/buryj-ugol/) [Accesed 26.11.2021].

13. Государственная геологическая карта Российской Федерации (новая серия). Масштаб 1:1 000 000. Лист S-53-55 (Новосибирские острова) (1998) СанктПетербургская картографическая фабрика ВСЕГЕИ.

14. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (новая серия). Лист S-53-55 - Новосибирские острова. Объяснительная записка (1999). СПб. Изд-во ВСЕГЕИ. 208 с.

15. Гусев, Е. А., Рыбалко, А. Е., Большиянов, Д. Ю. и др. (2021). К вопросу о плейстоценовом оледенении Восточно-Арктического шельфа. В: Геология морей и океанов: Материалы XXIVМеждународной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. IV. - М.: ИО РАН, 45-50. https://doi: 10.29006/978-5-6045110-7-7

16. Девяткин, В. Н. (1993). Тепловой поток криолитозоны Сибири. Новосибирск, Наука, 162 с.

17. Деревягин, А. Ю., Чижов, А. Б., Майер, Х. (2010) Температурные условия зим Лаптевоморского региона за последние 50 тыс. лет в изотопной записи повторножильных льдов. Криосфера Земли, XIV (1), 32-40.

18. Зайцев, В. Н. (1998). Криолитозона северной и северо-восточной Азии. Арктические Приморские низменности. В: Основы геокриологии. Ч. 3. Региональная и историческая геокриология Мира. М.: Изд-во МГУ, 307-327.

19. Зайцев, В. Н. и др. Яно-Колымский регион. (1989) В: Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток (под ред. Э.Д. Ершова). М.: Недра, 240-279.

20. Иванова, В. В. (2012) Геохимия пластовых льдов острова Новая Сибирь (Новосибирские острова, Российская Арктика) как отражение условий их генезиса. Криосфера Земли, XVI (1), 56-70.

21. Каплина, Т. Н., Кузнецова, И. Л. (1975). Геотемпературная и климатическая модель эпохи накопления осадков едомной свиты Приморской низменности Якутии. Проблемы палеогеографии лессовых и перигляциальных областей. М., Институт географии АН СССР, 170-174.

22. Каплина, Т. Н. (1987). Закономерности развития криолитогенеза в позднем кайнозое на аккумулятивных равнинах северо-востока Азии. Автореферат дисс. доктора геолого-минералогических наук. Якутск, ИМЗ СО АН СССР, 41 с.

23. Карта четвертичных образований масштаба 1:2 500 000 территории Российской Федерации. Пояснительная записка (2013). СПб, Изд-во ВСЕГЕИ.

24. Конищев, В. Н. (1999). Эволюция температуры пород арктической зоны России в верхнем кайнозое. Криосфера Земли, III (4), 39-47.

25. Лаврушин, Ю. А. (1976). Строение и формирование основных морен материковых оледенений. М.: Наука, 245 с.

26. Основы геокриологии. Ч. 3. Региональная и историческая геокриология мира. (1998). Под ред. Э. Д. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 574 с.

27. Павлова, Е. Ю., Анисимов, М. В., Дорожкина, М. В., Питулько, В. В. (2010). Следы древнего оледенения на о. Новая Сибирь (Новосибирские острова) и природные условия района в позднем неоплейстоцене. Лед и снег. 2 (110), 85-92.

28. Романовский, Н. Н., Гаврилов, А. В., Пустовойт, Г. В., Холодов, А. Л., Кассенс, Х., Хуббертен, Х.-И., Ниссен, Ф. (1997). Распространение субмариной мерзлоты на шельфе моря Лаптевых. Криосфера Земли, I (3), 9-18.