Н. Н. Романовский

^{о сновы}

КРИОГЕНЕЗА ЛИТОСФЕРЫ

Рекомендовано Государственным ко­митетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебного пособия для студентов выс­ших учебных заведений, обучаю­щихся по направлениям «Геология», «География», специальностям «Гео­графия», «Гидрогеология и инженер­ная геология»

ИЗДАТЕЛЬСТВО

московского

УНИВЕРСИТЕТА 1993

ББК 26.222.8

Р 69 УДК 551.340

Рецензенты:

кафедра гидрогеологии Санкт-Петербургского горного института, доктор геолого-минералогических наук, профессор, действительный член РАЕН В. В. Баулин

Научный редактор кандидат геолого-минералогических наук О. М. Лисицына ,

Р69 Романовский Н. Н. Основы криогенеза литосферы: Учебное пособие. — М.: Изд-во МГУ, 1993. — 336 с. ISBN 5—211—02379—X

В учебном пособии в соответствии с вузовской программой изло­жены современные представления о зональных, высотнопоясных и ре­гиональных закономерностях образования криолитозоны: мощности,, строения, температурном режиме, сезонном промерзании и протаива-нии пород. Современное состояние и эволюция криолитозоны рас­сматриваются как результат процессов, происходящих в верхней час­ти литосферы под влиянием изменения климата, оледенений, регрес­сий и трансгрессий моря, изменения свойств пород.

Для студентов мерзлотоведов, гидрогеологов, инженеров-геологов.

1804080000(4309000000)-095 077(02)-93

ISBN 5—211—02379—X © Издательство Московского

университета, 1993

ПРЕДИСЛОВИЕ

Н а верхние горизонты литосферы оказывают глубо­кое и разнообразное влияние процессы промерзания и протаи-вания, охлаждения и нагревания, объединяемые понятием криогенез. Они проявляются на обширных территориях севера Евразии и Северной Америки, в «оазисах» Антарктиды и в вы­соких горах умеренных и низких широт, а также на дне Аркти­ческого бассейна и под ледниковыми покровами. Законы про­явления и эволюции криогенеза литосферы и его геологические последствия сложны, многообразны и находятся еще в процес­се активного познания. Большой шаг в исследованиях в этой области сделай в последние десятилетия: были изучены зако­ны формирования и особенности строения современной (суб-аэральной) криолитозоны континентов, начато изучение субгля-циальной и субмаринной (шельфовой) криолитозоны, установ­лены этапы ее эволюции в позднем кайнозое. В настоящей ра­боте излагаются современные представления о закономерно­стях и геологических результатах криогенеза верхних горизон­тов литосферы, в позднем кайнозое и в настоящее время в раз­личных широтно-зональных, высотно-поясных и региональных условиях под воздействием динамики климата и различных гео­логических событий (оледенений-дегляциаций, трансгрессий и регрессий арктических морей и др.).

Книга написана в соответствии с программой курса «Осно­вы криогенеза литосферы» для студентов специальности «Гид­рогеология, инженерная геология и геокриология» геологиче­ского факультета МГУ. Это второй курс из цикла геокриологи­ческих дисциплин, который базируется на знаниях, получен­ных студентами при изучении курсов «Общая геокриология», а также «Общая геология», «Общая гидрогеология», «Грунтове­дение» и др. Курс «Основы криогенеза литосферы» разработан автором и читается с 1989 г.

Настоящая работа предназначается для преподавателей университетов и для студентов, обучающихся по специальности «Гидрогеология и инженерная геология», а также для студен­тов геологоразведочных, нефтяных, горных, строительных и других вузов. Она будет полезна для специалистов в области нефтяной и газовой геологии, горняков, изыскателей и проек­тировщиков, географов различных направлений, а также для представителей всех специальностей, занимающихся экологи-

3

ей и охраной природной среды северных и восточных регионов России и Арктического бассейна.

Автор искренне благодарит научного редактора книги О. М. Лисицыну за большую помощь, а также 3. И. Баташо­ву, М. И. Заболотскую и Н. В. Гордееву за оформление ру­кописи работы и неизменную товарищескую поддержку.

SUMMARY

The book deals with the influence of cryogenesis (a complex process of heating — cooling, freez­ing— thawing and accompanying phenomena) on earth surface and upper horizons transformation for the late Cenozoic period, and for the present time. The book summarize the notions of geoc-ryological zonality, altitudinal zonality and "sec-torality" in formation of soil thermal regime, frozen strata and taliks distribution, season fre­ezing and thawing, depending on geographical location of the territory and recent natural con­ditions. The book also gives an analyses of zonal and regional regularities in periglacial processes and phenomena distribution as well as formation of cryogenic composition for different syngene-tic, epigenetic and taber soils and epigenetic fro­zen rocks. The influence of geothermal, geostruc-tural, geomorphological and hydro geological con­ditions, glaciation and deglaciation, Arctic seas transgressions and regressions on thickness, and composition of permafrost zone and its interaction with natural gas hydrates is analysed.

The book describes major peculiarities of pryoli-tozone of platforms, mountain areas and Arctic submarine cryolitezone in connection with Pleis­tocene and Holocene paleogeography. The peculia­rities of lithosphere cryogenesis are analysed mainly for Northern Eurasia and partly for North America.

The book is intended for students and professio­nal Geocryologists, Engineering Geologists, Hyd-rogeologists, Geographers and Geoecologists as well as Geologists dealing with oil and gas, Mi­ners, Construction Workers and those dealing wtih Northern and Eastern parts of Russia and Northern part of North America.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КРИОГЕНЕЗЕ

ЛИТОСФЕРЫ

1.1. ПОНЯТИЕ О КРИОГЕНЕЗЕ ЛИТОСФЕРЫ

Геокриология представляет собой научное направле­ние геологии, рассматривающее процессы и результаты воздей­ствия криогенеза на литосферу Земли. Криогенез — это ком­плекс процессов и явлений, происходящих в верхних горизон­тах литосферы, как в сформировавшихся породах различного состава и возраста, так и в накапливающихся осадках, вызван­ных их промерзанием и протаиванием, охлаждением и нагрева­нием, изменением давления. Этот комплекс процессов вклю­чает в себя: фазовые превращения вода^лед^пар, (вода + + газ) =^гидраты газов=^ (газ + лед); образование и разруше­ние кристаллогидратов ролей; миграцию газов и флюидов, из­менения их состава, свойств, строения, состояния и распреде­ления в литосфере. Криогенез объединяет комплекс криоген­ных процессов (криогенные пучение и растрескивание, соли-флюкцию, термокарстовые просадки и др.), которые служат причиной формирования криогенных явлений (образований) и криогенного микрорельефа. В результате криогенеза в масси­вах .пород формируется и эволюционирует их криогенное строе­ние, включая криотекстуру, криоструктуру и мономинеральные залежи льда. При этом происходят физические и химико-мине­ральные изменения самих пород, меняется термодинамическое состояние криогенной системы в целом и ее составляющих (мерзлых, охлажденных и морозных пород, криогенных явле­ний и др.).

Основной причиной криогенеза являются термодинамиче­ские изменения на поверхности Земли. Криогенез субаэраль-ных частей литосферы обусловлен главным образом динамикой теплообмена между атмосферой и литосферой, сопутствующи­ми колебаниями температур на поверхности и в толще пород. Под ледниками меняются температура и давление; под водое­мами (морями, озерами) — давление (глубина), соленость и температура воды. Все изменения, обусловливающие криогенез литосферы, имеют внешние причины. Таким образом, криоге­нез является сложным экзогенным геологическим процессом, который связан с циклами охлаждения—нагревания, промер-

5

зания—протаивания различной продолжительности: кратковре­менными, длящимися минуты и часы, сезонными и многолетни­ми. Период последних изменяется от нескольких лет до не­скольких сотен тысяч лет. Кратковременные (высокочастот­ные) колебания вызывают криогенез самых верхних слоев Земли мощностью в первые сантиметры. Эта разновидность криогенеза отличается высокой интенсивностью воздействия, но малой глубиной проникновения, как, например, криогенное выветривание в высокогорье умеренных и низких широт. Крио­генез, связанный с многолетними колебаниями температур, за­хватывает литосферу на глубину от нескольких метров до 2— 3 тыс. м, вызывая образование и эволюцию мощных мерзлых толщ. Последние характерны для платформ в высоких широ­тах и высокогорья орогенных областей умеренных и высоких широт.

В последние десятилетия в «криогенез» стали включать криогенные (или субкриогенные) процессы, происходящие в по­ложительном диапазоне температур при больших давлениях, Эти процессы представляют собой фазовые превращения (газ +вода) ^гидраты газа и сопровождаются выделением и поглощением энергии, изменением состояния и свойств пород, фиксацией, высвобождением газов и флюидов, изменением давления, минерализации подземных вод. Сфера распростране­ния субкриогенных процессов — океаническое дно, арктиче­ский шельф, нефтегазоносные области с мощными мерзлыми толщами, сформировавшимися в плейстоцене. В этих областях образование гидратов подземных газов, их эволюция и взаи­модействие с мерзлотой связаны с длиннопериодными коле­баниями климата.

В географическом аспекте сфера проявления криогенеза весьма обширна. Она включает территории, занятые охлаж­денными породами под. океаном и мерзлыми — под ледника­ми, а также многолетнемерзлыми, сезонно- и кратковременно промерзающими породами на континентах. В настоящей работе рассматривается преимущественно многолетний криогенез ли­тосферы, характерный для высоких широт и высокогорья кон­тинентов, для дна арктических морей и ложа ледников.

Многолетний криогенез литосферы и обусловленное им фор­мирование многолетней криолитозоны, криогенных процессов и явлений в земной коре — явление геоисторическое, характер­ное для всех холодных этапов истории развития Земли (Ершов, 1990). Нами рассматриваются закономерности позднекайно-зойского этапа криогенеза, в процессе которого возникла, эво­люционировала и сформировалась современная криолитозона Земли.

Процессы криогенеза в субаэральных условиях зависят от температурного режима верхних горизонтов горных пород, их состояния, сезонного промерзания и протаивания. Поэтому в работе (гл. II) рассмотрены основные зональные, высотно-по-

6

ясные, секториальные и региональные закономерности форми­рования перечисленных показателей и составляющих геокрио­логических условий в зависимости от комплекса природных условий (климата, состава отложений, рельефа и др.).

Криогенез объединяет криогенные процессы и явления, раз­витие которых определяет экзогенную динамику, многие черты строения верхних горизонтов пород и микрорельеф территории криолитозоны (гл. III). Одним из важнейших следствий крио-генеза является многолетнее промерзание горных пород и осадков, формирование их главных отличительных особенно­стей, таких, как криогенное строение, т. е. наличие подземных льдов и их распределение в массивах (гл. IV).

Результатом криогенеза литосферы является формирование криолитозоны, представляющей собой толщи пород, находя­щихся в многолетнемерзлом, охлажденном и морозном состоя­ниях. В нефтегазоносных структурах криолитозона может со­четаться и взаимодействовать с зоной гидратообразования (ЗГО) природных газов. Формирование криолитозоны и ЗГО зависит от условий и динамики многолетнего промерзания, от широкого комплекса природных факторов и условий (геострук­турных, гидрогеологических, геотермических, геоморфологиче­ских), а также от оледенений и дегляциации, трансгрессий и регрессий моря.

Криогенез литосферы неодинаково протекает и приводит к различным геологическим результатам в разных зональных и региональных условиях. Эти условия, а следовательно, и ре­зультаты криогенеза существенно неодинаковы в платформен­ных структурах (гл. VI), в орогенных областях (гл. VII) и на арктическом шельфе (гл. VIII).

Формирование криолитозоны представляет собой длитель­ный геологический процесс. На разных этапах и фазах процес­сы криогенеза литосферы различались по интенсивности и на­правлению развития, по масштабам и геологическим резуль­татам. Понять и проанализировать современное строение и со­стояние криолитозоны можно, только представляя основные этапы ее формирования в позднем кайнозое. История разви­тия и динамика криолитозоны связаны и обусловлены общим ходом природного процесса в этот период развития Земли.

В настоящей книге использованы главным образом мате­риалы по зональным, поясным и региональным закономерно­стям проявления криогенеза и формирования геокриологиче­ских условий.