Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 5, стр. 34-44

ВВЕДЕНИЕ

Развитие экономики России связано, в том числе, с освоением новых месторождений нефти и газа, а также других полезных ископаемых на Арктическом побережье и шельфе Северного Ледовитого океана. Строительство и эксплуатация жилых поселков, крупных транспортных объектов на распространенных в этом регионе засоленных мерзлых породах осложняет освоение Арктического побережья. Поэтому проблема уточнения образования засоленных мерзлых пород, связанная с особенностями их распространения, является актуальной [5].

В настоящее время засоленные мерзлые породы по-прежнему не охвачены должным изучением из-за их распространения в основном в труднодоступных районах и методических сложностей определения типа засоления. Тем не менее, необходимо продолжать изучение особенностей их формирования и распространения, поскольку данные породы отличаются низкой несущей способностью и неустойчивостью к техногенным воздействиям. Эти особенности связаны с тем, что засоленные мерзлые породы занимают по многим своим свойствам положение между мерзлыми и немерзлыми породами [5].

Известны следующие способы образования засоления в многолетнемерзлых породах: воздействие морской трансгрессии (морской тип засоления) и криогенное концентрирование, а также концентрирование солей из-за обезвоживания пород (континентальный тип засоления). Причем морские условия образования преобладают над континентальными для пород четвертичного возраста, распространенных на дневной поверхности Арктического побережья. Однако этими механизмами не всегда можно объяснить наличие засоления мерзлых пород на тех или иных территориях Арктического побережья Северного Ледовитого океана.

Обобщение сведений по распространению мерзлых засоленных пород для различных участках или всей территории Арктического побережья приведены в [5, 10, 17, 21, 23, 27]. Однако следует отметить, что фактические сведения о распространении мерзлых засоленных пород на данный момент являются неполными.

Цель настоящей работы – наряду с известными механизмами формирования засоления в многолетнемерзлых породах представить на обсуждение новые, которые, например, смогут объяснить образование засоления на значительных высотах над уровнем моря.

Перед авторами стояли следующие задачи:

1) рассмотреть последовательно каждый из возможных вариантов образования засоления в породах;

2) составить схему распространения засоленных мерзлых пород на Арктическом побережье, основанную на описанных ниже механизмах образования данных пород, с использованием имеющейся фактической информации об их наличии в различных частях Арктики, собранной российскими и зарубежными исследователями.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Г.И. Дубиков и Н.В. Иванова к мерзлым засоленным породам относят породы, содержащие легкорастворимые в воде соли [11]. Согласно ГОСТ 25100-2011¹¹, к засоленным мерзлым грунтам (по морскому типу) относятся пески, супеси, суглинки и глины, если их засоленность (отношение веса водорастворимых солей к весу минеральных частиц в единице объема грунта) превышает соответственно значения 0.05%, 0.15%, 0.2%.

Согласно СП 25.13330.2012 “Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах”²² порог значения Dsal (степень засоленности, %), при котором грунт можно считать засоленным меняется в зависимости от вида грунта (песок, супесь, суглинок или глина), типа засоления (морской или континентальный), а также определяемой прочностной характеристики грунта (расчетное давление под нижним концом сваи, расчетное сопротивление сдвигу по поверхности смерзания, расчетное давление под подошвой столбчатого фундамента). Также в разделе 9 приводится следующее примечание: “Пылеватые грунты морского побережья Севера с преобладанием солей натрий-калиевого состава должны относиться к засоленным при содержании в них растворимых солей от 0.05% и выше”.

В.И. Панченко и В.И. Аксенов предложили следующее определение: грунт может считаться засоленным, если содержание ионов электролитов выше обменной емкости скелета [16]. По мнению А.В. Брушкова [5], правильнее говорить о легкорастворимых солях (а не только об электролитах) в поровом растворе. Если их содержание превышает величину, при которой фиксируется изменение физико-механических свойств грунтов и которая фактически близка к обычной точности определений засоленности 0.05%, такие породы можно считать засоленными. Таким образом, авторами работы предлагается следующее определение объекта исследования: засоленными являются мерзлые породы, содержащие в поровом растворе легкорастворимые соли в количестве, составляющем более 0.05% по весу в отношении к сухой породе [5].

НОВЫЕ ГИПОТЕЗЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД АРКТИЧЕСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ

Механизмы формирования морского типа засоления подробно описаны в [5, 7, 10, 19, 21]. Г.И. Дубиков [10] описывает процесс перехода засоленных донных отложений в береговые мерзлые толщи. А.В. Брушков [5] по соотношению времени образования породы и времени ее засоления выделяет синхронный и эпихронный типы засоления. И.Д. Стрелецкая [19] связывает формирование криопэгов на п-ове Ямал с промерзанием морских плейстоценовых отложений сразу после их выхода из-под уровня моря.

Опираясь на описанные выше представления, можно составить следующую схему формирования засоленных мерзлых пород на Арктическом побережье. Засоление пород происходит по морскому и континентальному типам, а также под действием биогенного фактора.

Засоление по морскому типу образуется во время морской трансгрессии, либо под действием приливов, нагонных волн, цунами. Механизм формирования засоленных мерзлых пород следующий. В результате повышения уровня моря происходит затопление территорий, т.е. переход из субаэрального в субаквальное состояние пород всех генотипов, их протаивание и засоление (рис. 1а). В случае трансгрессии (повышение уровня моря на длительное время) образуется первично засоленный морской осадок. При дальнейшем понижении уровня моря и переходе в субаэральные условия с отрицательными среднегодовыми температурами прекращается засоление, и начинается промерзание пород (рис. 1б), что провоцирует перераспределение солей в поровом пространстве. Происходит рассоление слоя сезонного оттаивания в результате опреснения атмосферными осадками и действия процесса криогенного концентрирования (рис. 1в), а также перераспределение солей в зависимости от состава пород.

Рис. 1.

Формирование засоленных мерзлых пород по морскому типу (пояснения в тексте).

Важно, что при промерзании глинистых пород соли, как правило, двигаются вместе с потоком воды к фронту промерзания, увеличивая засоленность в промерзающей зоне. В песчаных породах, наоборот, наблюдается отжатие воды от фронта промерзания и концентрирование солей в остаточном растворе (так называемое “криогенное концентрирование”), которое может приводить к значительному накоплению солей ниже фронта промерзания и образованию криопэгов (рис. 1в) [4].

Необходимым условием континентального типа засоления является существование аридного климата на исследуемой территории, отличительной чертой которого является преобладание испарения над осадками. В результате происходит дегидратация и концентрирование солей в породе. Такие условия встречаются в Центральной Якутии, Южном Забайкалье и Монголии, однако могут встречаться и в высоких широтах, например, долине р. Маккензи и Гренландии [5, 27]. Но так как сочетание холодного и аридного климатов, как правило, не может продолжаться в течение длительного времени, мерзлые толщи с континентальным засолением не имеют большой мощности. Содержание солей в них колеблется в широких пределах – от 0.05 до 2% и более. В работах [24, 25] указывается на возможность формирования в породах засоления по континентальному типу в литоральной зоне пляжа.

Следует отметить, что химические составы солей морского и континентального типов засоления различны. Для морского типа характерно сходство с составом морской воды, породы же континентального типа имеют самый различный состав солей, который определяется их взаимодействием с поверхностными, подземными водами и атмосферными осадками.

Анализ данных по распространению трансгрессий в средний и поздний неоплейстоцен [12, 20] показал, что максимальный уровень, который они достигали на побережьях Белого и Баренцева морей, составляет 100–170 м (250 м для Кольского п-ва), Карского моря – 50–80 м, морей Лаптевых и Восточно-Сибирского – 25–50 м, Чукотского моря – 12 м. Эти уровни согласуются с данными по распространению мерзлых засоленных пород и свидетельствуют о важной роли трансгрессий в формировании засоления. Однако засоленные мерзлые породы обнаружены также и на участках, расположенных выше отметок, которых достигали данные трансгрессии [6]. Анализ метеорологических данных позволил заключить, что климат данных территорий далек от континентального.

Появление и накопление новых фактов в научных исследованиях последних десятилетий XXI в. позволяет авторам предложить к обсуждению три новых механизма образования засоленных пород Арктического побережья.

Механизм 1. Нагонные подъемы уровня моря и цунами

Нагонные подъемы уровня моря, как и приливы, как правило, не превышают нескольких метров и, несмотря на очевидную возможность участия в процессах засоления береговых отложений разного генезиса, имеют ограниченное значение.

Цунами также могли являться источником формирования засоленных пород, обнаруженных на больших высотах. Механизм возникновения цунами объясняется в литературе [8] следующим образом. Волны цунами образуются под действием относительно быстрого вытеснения масс воды в результате сейсмотектонических подвижек земной коры, обвалов и оползней больших масс горных пород или донного осадочного материала, а также взрывов (извержений) на дне. Мощная водная стена цунами концентрирует в себе огромный энергетический потенциал. По мере приближения к берегу толща воды уменьшается, и, таким образом, энергия волны, идущей из эпицентра, расположенного на большой глубине, все более и более зажимается, концентрируясь во все уменьшающейся толще воды. В поверхностных водах по мере приближения к берегу, отмечается стремительный рост высоты волны. Волны, которые в открытом океане составляют в среднем 60 см в высоту, при вхождении в шельфовую зону океана теряют свою скорость, расстояние между волнами, следующими друг за другом, также сокращается, волны начинают накладываться одна на другую, что еще больше усиливает концентрацию энергии.

По данным, приведенным в табл. 1, можно сделать вывод, что высоты волн цунами значительно превышают ветровые волны и нагонные (а также приливные) подъемы уровня моря в недавнем геологическом прошлом.

Таблица 1.

Основные характеристики ветровых волн и волн цунами [8]

Параметры	Ветровые волны	Цунами
Скорость распространения	До 100 км/ч	До 1000 км/ч
Длина волны	До 0.5 км	До 1000 км
Период	До 20 с	До 2.5 ч
Высота волны в открытом море	До 30 м	1–2 м
Высота волны у побережья	До 40 м	До 70 м

Известно, что цунами большой интенсивности, характеризующиеся средним подъемом воды от 8 до 30 м, происходят приблизительно один раз в десять лет. Таким образом, вполне вероятно возникновение цунами еще большей интенсивности в течение плейстоцена, которые могли стать причиной образования засоленных пород на высотах до 70 м.

Согласно [28] экстремальные геофизические явления, такие как столкновения с астероидами и гигантские оползни, могут вызывать мегацунами с высотой волн, значительно превышающей те, которые наблюдаются при других формах цунами.

К сожалению, из-за сложных природно-климатических условий и малой населенности побережья Арктики практически отсутствуют данные инструментальных измерений и надежные исторические свидетельства о проявлениях цунами. Анализ имеющихся геолого-геофизических материалов, а также данных о сейсмичности за период инструментальных наблюдений (1918–2015 гг.) [14] показывает, что наиболее высоким сейсмическим потенциалом в пределах арктического региона характеризуются подводный Срединно-Арктический пояс землетрясений (межплитовая граница), а также отдельные районы континентального склона – в морях Баффина и Бофорта. Для Арктического побережья России и прилегающего шельфа наибольшая опасность возникновения цунами сейсмотектонического происхождения исходит от землетрясений, возникающих в зоне подводного хребта Гаккеля, являющегося восточной частью Срединно-Арктического пояса (рис. 2). В этой зоне возможно возникновение землетрясений магнитудой Mw ~ 6.5–7.0 с частотой 10^–2 год^–1 и магнитудой Mw ~ 7.5 с частотой 10^–3 год^–1 [14].

Рис. 2.

Графики повторяемости землетрясений, зарегистрированных в пределах всего Арктического бассейна и подводного хребта Гаккеля [14].

В [22, 26] показано, что единичное воздействие цунами приводит к засолению почв и грунтовых вод.

Механизм 3. Биогенное засоление

Живые организмы существуют и развиваются в породах на поверхности твердых минеральных частиц, в поровом растворе, а также в порах, трещинах, кавернах и пустотах. Изменение состава порового раствора под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов заключается в том, что растворы насыщаются различными компонентами и приобретают свойства кислот, щелочей, солей различного состава [9]. Засоленные грунты могут быть различными по химическому составу накапливающихся в них солей. Засоление вызывается накоплением хлоридов, сульфатов или карбонатов, а в некоторых случаях – нитратов. В природе засоление носит большей частью смешанный характер (сульфатно-карбонатное, хлоридно-сульфатное и т.д.) [2]. При рассмотрении вопроса о механизме возникновения солонцов и насыщения поглощающего комплекса этих почв натрием большое значение придается процессу содообразования [1].

Растения, согласно публикации [18], могут повлиять на возникновение засоления следующим образом. Для поддержания своей жизнедеятельности растениям необходимы азот и сера, которые интенсивно поглощаются из азотно- и сернокислых солей. В результате высвобождаются катионы (в том числе Na⁺), которые реагируют со свободной углекислотой и образуют карбонаты. Разложение органических остатков и круговорот минеральных элементов приводят к тому, что в ходе минерализации происходит образование солей, а выделение углекислоты при одновременном высвобождении щелочных и щелочноземельных элементов создает предпосылки для образования карбонатов, в том числе карбоната натрия.

Большая роль в содообразовании принадлежит сульфатредуцирующим бактериям. И.Н. Антипов-Каратаев [1] придавал большое значение процессу сульфатредукции. В присутствии органического вещества Na₂SO₄, как известно, превращается в Na₂S. Сернистый натрий вступает в реакцию с имеющейся в почве углекислотой, и в результате этого образуются сода и сероводород: Na₂S + CO₂ + H₂O = H₂S + Na₂CO₃.

В качестве возможных путей щелочеобразования помимо восстановления сульфатов учитывается и процесс денитрификации. В последнем случае образование карбоната натрия протекает по предполагаемой схеме 2NaNO₃ → 2NaNO₂ → → Na₂CO₃ + N₂ [2]. Соляные “рубашки” проф. В.В. Роговым были найдены вокруг микроорганизмов в мерзлых породах. Их происхождение пока неясно, но эти находки подтверждают связь засоления с деятельностью микроорганизмов (рис. 3).

Рис. 3.

Спектральный состав материала, окружающего предполагаемые клетки микроорганизмов в мерзлом неогеновом песке обнажения Мамонтова гора, Якутия. Кроме углерода, входящего в состав клеток, установлен кальций и хлор. Размер окруженных льдом клеток – несколько микрон (фото В.В. Рогова).

Таким образом, содообразование следует рассматривать как биогенный процесс, обусловленный жизнедеятельностью разнообразных микроорганизмов и растений.

По мнению авторов, все три механизма могут наблюдаться в природных условиях. Возможно, что образование засоления для конкретного региона могло быть связано с действием какого-то одного из них или их совокупностью.

По данным [6] голоценовые повторно-жильные льды оз. Коолень на востоке Чукотского полуострова имеют минерализацию 35 мг/л, в составе анионов преобладает Cl^–, в составе катионов – Na⁺. Авторы объясняют полученные значения минерализации и ионного состава импульверизацией. Однако под импульверизацией понимают явления перемещения солей через атмосферу в виде твердой пыли или с атмосферными осадками. Количество же хлора в атмосферных осадках в среднем измеряется величиной 2–3 мг на 1 л. Следовательно, под действием импульверизации не могла образоваться столь высокая минерализация повторно-жильных льдов. Озеро Коолень расположено на высоте 62 м над уровнем моря. Привлекая исследования [4, 15], можно сделать вывод, что засоление не было связано с действием морских трансгрессий голоцена в комплексе с вертикальными тектоническими движениями. Таким образом, возможное объяснение засоления повторно-жильных льдов на данной территории – это воздействие цунами.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ЗАСОЛЕННЫХ ПОРОД В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

Районирование территории Арктического побережья проводилось на основании данных, взятых из Атласа Арктики под ред. А.Ф. Трешникова [3] (геологическая карта, карта четвертичных отложений, среднегодовое количество осадков, схема распространения морских трансгрессий в плейстоцене), карты морских трансгрессий (по С.А. Стрелкову [20]), карты испаряемости (Атлас под ред. Л.Н. Колосовой) [13]. Также использовались схема распространения засоленных многолетнемерзлых грунтов в Северном полушарии по типам засоления (по А.В. Брушкову [5]), схема распространения мерзлых засоленных пород на полуострове Ямал [17] и схема распространения засоленных и незасоленных пород на полуостровах Ямал и Гыданский (Г.И. Дубикова и Н.В. Ивановой [11]).

Граница морского типа засоления выделена по максимальной бореальной трансгрессии микулинского межледниковья, согласно карте морских трансгрессий [20] – на территории России; карте морских трансгрессий в плейстоцене [3] – на зарубежных территориях. Выбор бореальной трансгрессии как южной границы распространения мерзлых засоленных пород обусловлен фактическими данными, собранными Г.И. Дубиковым и Н.В. Ивановой [10, 11] в России и E. Hivon [25] в Канаде, об их нахождении на территориях, которые попали под влияние этой трансгрессии.

Континентальный тип засоления был выделен при сопоставлении картосхемы атмосферных осадков и испаряемости путем выделения тех участков, где испарение преобладает над осадками.

На первом этапе работы по составлению схемы была создана база пространственных данных в программном пакете ArcGis. В качестве источников картографирования использовались растровые отсканированные изображения [5, 13, 20, 3], пространственно согласованные: для полученных растровых изображений была проведена процедура пространственной привязки в единую географическую систему координат, азимутальную проекцию. Привязка проводилась по 11–15 опорным точкам методом полиномов 3-го порядка, что давало точность привязки 300–350 м, что соответствует допустимой погрешности 0.1–0.3 мм для масштаба 1 : 2 500 000. Путем сопоставления растровых данных на схеме были выделены контура, соответствующие морскому и континентальному типу засолений (рис. 4).

Рис. 4.

Cхема распространения засоленных мерзлых пород в Северном полушарии.

При сопоставлении со схемой распространения засоленных многолетнемерзлых грунтов в Северном полушарии по типам засоления А.В. Брушкова [5], можно сделать вывод, что полученная схема в целом ее повторяет. Но есть и заметные различия. Если проводить границы распространения засоленных пород по максимальной морской трансгрессии четвертичного времени, то их необходимо провести также в северной части Кольского полуострова. В Западной Сибири, следуя направлению бореальной трансгрессии, следует сдвинуть границы распространения засоленных пород к югу (вниз по течению рек Обь и Таз, а также в районе р. Анабар). В Восточной Сибири границы практически идентичны, совпадая с максимальной трансгрессией. Распространение засоленных пород на островах Российской Арктики совпадает со схемой А.В. Брушкова, за исключением острова Новая Земля, на котором в соответствии с картой трансгрессий [20] засоленные породы должны располагаться практически повсеместно.

В зарубежной Арктике наблюдаются следующие несовпадения: в долине р. Маккензи континентальное засоление распространено на юг несколько меньше, а в северной части Гренландии (в областях, не занятых ледником) также должен формироваться континентальный тип засоления.

В северном полушарии, согласно составленной схеме, площадь территорий с морским типом засоления составляет 246 тыс. км² (246 610.9), с континентальным – 4 млн км² (4 301 998).

ВЫВОДЫ

Наряду с известными способами формирования засоления в многолетнемерзлых породах представлены новые факты, которые могут объяснить образование засоления на значительных высотах над уровнем моря.

Впервые излагаются возможные гипотезы образования засоленных мерзлых пород на больших высотах над уровнем моря, объясняемые нагонными подъемами уровня моря и цунами в недавнем геологическом прошлом, новейшей тектоникой и биогенным засолением.

Примененный подход, учитывающий способы формирования засоления пород, позволил графически представить новый вариант схемы распространения мерзлых засоленных пород в Северном полушарии. Граница морского типа засоления установлена по максимальной бореальной трансгрессии, граница континентального типа засоления проведена при анализе и сопоставлении карты атмосферных осадков и испаряемости путем выделения тех участков, где испарение преобладает над осадками.

Показано значительное увеличение площадей с морским и континентальным типом засоления горных пород Арктического побережья Северного Ледовитого океана. Для высокогорных районов установлено, что уровень максимальной трансгрессии позднечетвертичного времени не доходил до таких высоких отметок, к тому же климат данных участков далек от континентального.