CC BY
35
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 551.345:551.8:549.1/.9:571.1
И.Д. Стрелецкая1, H.A. Шполянская1, Л.Н. Крицук2, A.B. Сурков3
КАЙНОЗОЙСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ ЗАПАДНОГО ЯМАЛА И ПРОБЛЕМА ИХ ГЕНЕЗИСА
Впервые проведены микроструктурные исследования пород методом детального гра-нуло-минералогического анализа дисперсных отложений в районе Марре-Сале (Западный Ямал). Исследованы отложения берегового обрыва морской террасы и образцы из скважины до глубины 83 м. Микроструктурный анализ подтвердил морской генезис большей части разреза отложений района и континентальный генезис их верхнего сартанско-голоценового слоя. Формирование преимущественно глинистых отложений происходило в условиях непрерывающейся трансгрессии моря, сопровождавшейся активной термоабразией и термоденудацией берегов. В прибрежной части шельфа формировались слабо переработанные волновыми процессами (из-за ледовитости моря) глинистые засоленные осадки с включениями линз песков и прослоями намывного детрита.
Ключевые слова: подземные льды, плейстоцен-голоценовые отложения, засоленные грунты, морской генезис отложений, минералогический анализ.
Введение. Известна давняя дискуссия о происхождении рыхлых отложений севера Западной Сибири в целом и Западного Ямала в частности. Многие исследователи [1, 3, 8] считают, что это морские и прибрежно-морские отложения, а содержащиеся в них пластовые льды имеют внутри-грунтовое происхождение. Однако ряд других авторов [5, 10, 13] отстаивают их ледниковый генезис, а льды рассматриваются ими как захороненные остатки оледенения. Авторы статьи, сторонники морского генезиса основной части отложений в этом районе, в своих ранних публикациях [7, 15, 16] уже приводили аргументы в пользу такой позиции. Цель статьи — подтвердить этот вывод новым фактическим материалом.
Описание исследованных разрезов толщи. Исследуемая толща отложений в районе полярной станции Марре-Сале (69°43 '—66°49' с.ш.) слагает III морскую террасу. Рельеф Западного Ямала, в том числе и восточного побережья Байдарацкой губы, где расположена станция, представляет собой серию разновозрастных и разновысотных морских террас, охарактеризованных Г.И. Лазуковым [8] как низкие плоские террасовидные морские равнины по-слеказанцевского времени. О серии морских террас (от I до III) на Западном Ямале пишут и Ю.Б. Ба-ду с соавторами [1]. Наибольшее распространение имеет III терраса высотой 22—42 м каргинско-сар-танского возраста, в основании которой лежат отложения докаргинского возраста [2, 8, 9]. В верх-
ней части терраса сложена пылеватыми песками и супесями, оторфованными в приповерхностых горизонтах. В нижней части преобладают глины и суглинки, доля песков и супесей составляет чуть более 12% от общей мощности слоя. Отложения верхней толщи формировались в условиях континентального осадконакопления начиная примерно с 28,4 тыс. лет назад (тыс. л.н.) [9, 17]. Для нижней более древней толщи генезис осадков остается спорным.
В 1995—2001 гг. сотрудниками ВСЕГИНГЕО вблизи полярной станции Марре-Сале на III террасе были пробурены и опробованы две скважины — одна глубиной 126 м в 1 км от береговой линии, другая глубиной 83,0 м в 250 м от берега моря (скважинами вскрыты отложения выше и ниже уровня моря) [6, 7]. В те же годы сотрудниками Института криосферы Земли СО РАН и географического факультета МГУ там же исследован разрез III террасы в обнажениях берегового обрыва [4, 11]. Как по скважинам, так и в естественных береговых обрывах установлена однотипная многослойная толща, верхняя часть которой представлена незасоленными континентальными, а нижняя — прибрежно-морскими и морскими в разной степени засоленными отложениями (состав солей хлоридно-натриевый, неизменный по разрезу). Местоположение скважин и берегового обнажения показано на рис. 1. Сводный разрез толщи представлен на рис. 2.
1 Географический факультет, кафедра криолитологии и гляциологии: И.Д. Стрелецкая — вед. науч. сотр., канд. геол.-мине-рал. н., e-mail: irinastrelets@gmail.com; Н.А. Шполянская — вед. науч. сотр., докт. геогр. н., e-mail: nella@shpolyanskaya.msk.ru
2 ВСЕГИНГЕО, вед. науч. сотр., докт. геогр. н., тел. 521-24-92(раб.).
3 Горнорудная компания IDG (Россия), главный геолог, канд. геол.-минерал. н., тел. (495) 425-41-87(дом.).
Разрез толщи в береговом обрыве. В морских береговых обрывах высотой до 30 м обнажаются многолетнемерзлые четвертичные отложения, в разрезе которых выделяются два комплекса. Верхний комплекс средней мощностью около 10 м (местами уменьшается до 1—2 м или увеличивается до 20—25 м) сложен незасоленными континентальными (аллювиальными, озерно-болотными, эоловыми) отложениями позднеплейстоцен-голоценового возраста [17]. В них содержатся полигонально-жильные льды шириной до 2—3 м и мощностью 5—7 м, концы которых внедряются в подстилающие суглинки и глины. Смена характера осадко-накопления отмечена по изменению количества и состава водорастворимых солей в породе. Степень засоления по разрезу в глинистых отложениях увеличивается в десятки раз, а континентальный состав солей в песках сменяется морским. Нижний комплекс видимой мощностью до 20 м представлен морскими и прибрежно-морскими засоленными глинами и суглинками с прослоями супесей и заиленных песков, на многих участках толща сильно дислоцирована. В отложениях нижнего
Рис. 2. Сводный геологический разрез четвертичных отложений в районе полярной станции Марре-Сале (по данным берегового обнажения и скв. 3-01): 1 — пески; 2 — суглинки и глины; 3 — переслаивание песков, глин и алевритов; 4 — глина пылеватая; 5 — номер образца; 6 — линза криопэгов; 7 — пластовый лед. Стратиграфическая схема дана по [1] (авторы не исключают и
другие мнения относительно возраста отложений)
С1 • 3-01 2 3 А 4
Рис. 1. Местоположение скважин и берегового обнажения: 1 — береговой обрыв с обнажениями пластовых льдов; 2 — глубокие скважины; 3 — долины ручьев на участке расположения скважины; 4 — триангуляционный знак "Минута"
комплекса встречены пластовые льды протяженностью до 80—90 м. Лед залегает в виде пластов мощностью до 3 м, для него характерна четкая слоистость, подчеркнутая минеральными включениями; ледяные тела обычно перемяты в складки. Геохимическое опробование отложений нижнего комплекса, как содержащих, так и не содержащих пластовые льды [11], показало, что отложения засолены на всю видимую в обнажениях мощность. Состав водорастворимых солей в песчано-глини-стых отложениях преимущественно хлоридно-нат-риевый, степень засоления обычно увеличивается вниз по разрезу, достигая в глинах 0,9%, в песках и супесях — 0,3—0,4%. При наличии пластового льда количество водорастворимых солей сокращается при приближении к залежи, а ниже пласта оно снова возрастает с глубиной.
Разрез толщи в скважине 3-01. Скважина 3-01 пробурена на поверхности с абсолютной высотой 21,5 м на левом берегу глубокого, дугообразно изогнутого лога, в 250 м от морского берегового обрыва. В разрезе под 4,9-метровым слоем мелкого кварцевого песка (с тонкими прожилками пылева-того песка и детрита), сильно ожелезненного, был вскрыт 7-метровый слой полигонально-жильного льда (ПЖЛ). Ниже залегают однородные суглинки с прослоями разнозернистых песков, которые с глубины 38 м переходят в ритмично-слоистую толщу, состоящую из чередования слоев суглинков, алевритов и песков. В интервале 30,2—31,6 м вскрыта линза минерализованных вод (криопэгов). С глубины 46 м залегают сильно засоленные глины (степень засоления до 1,05%), пластичные, с включением редких тонких прожилков песков и суглинков, толща в целом нельдистая, но с прослоем (в интервале 58—61 м) сильнольдистых мел-кооскольчатых глин. Судя по характеру проходки бурового инструмента и выходу керна (всего 15—20% против 100% из вышележащего слоя глин), в этом интервале были разбурены подземные льды. На глубине 82,7 м вскрыты пески мелкие, кварцевые, глубже скважину пройти не удалось [7].
Методы и результаты лабораторных исследований отложений. Для анализа отложений были использованы геохимические и микроструктурные методы лабораторных исследований.
Геохимическое опробование вмещающих пластовые льды отложений (песков и суглинков) и минеральных включений во льду [11] показало, что песчано-глинистые отложения накапливались в морских условиях, сохраняя первичные седиментаци-онные соли.
Микроструктурные исследования пород впервые для этих отложений были проведены методом детального грануло-минералогического анализа, разработанного А.В. Сурковым [12] для определения генезиса отложений. Метод заключается в сле-
дующем. Известно, что одним из генетических признаков породы является характер сортировки осадочных отложений. Известно также, что сортировка обломочных частиц в процессе переноса их в водной среде происходит по размеру и плотности (массе). Поэтому одним из важнейших параметров частиц грунта при формировании рыхлых осадочных пород является масса частицы, с которой связаны и дальность ее переноса, и степень сортированности осадка. В то же время экспериментальные исследования А.В. Суркова показали, что масса частицы связана не только с размером и плотностью, как это принято считать, но и с ее формой. Каждый обломок — это объемная в трехмерном пространстве частица. Частицы асимметричны, имеют разные размеры по трем взаимно перпендикулярным осям. Это отражается на массе частиц и тем самым меняет результаты расчета систем гидротранспортировки и гидроподъема. Форма обломочной частицы влияет, наряду с размером и плотностью, на ее гидравлическую крупность (скорость свободного падения частицы в жидкости). Поэтому, например, гидравлическая крупность морских песков отличается от гидравлической крупности аллювиальных песков при одном и том же гранулометрическом составе. Это связано с тем, что частицы морских песков окатаны в большей степени и имеют уплощенную форму.
Для определения истинного объема минеральных частиц любой формы предлагается сначала непосредственно измерять габариты минеральных частиц под микроскопом (длина А, ширина В и толщина С), а затем определять форму частицы путем вычисления двух коэффициентов — коэффициента к, равного отношению площади проекции частицы в плоскости АВ к площади прямоугольника со сторонами А и В, и коэффициента е, численно равного отношению средней толщины частицы С1 к максимальной толщине С, т.е. е = С1/С. С1 определяется как высота равновеликого частице цилиндра, основанием которого служит проекция частицы на плоскость АВ.
Полученные таким образом габариты минеральных частиц и значения коэффициентов к и е позволяют рассчитать объем частицы и ее массу. Измерения проводятся для мономинеральных фракций (кварц, ильменит, эпидот, гранат и т.д.), поскольку, как показали эксперименты, разброс массы частиц одних и тех же минералов при одинаковом размере, но разной форме очень большой. Каждый генетический тип отложений характеризуется индивидуальным специфическим спектром размеров частиц тяжелых минералов. К настоящему времени разработаны эталоны распределения обломочных минералов в современных отложениях разных генетических типов.
Спектры размеров отражают степень сортировки вещества, характер гранулометрической и минералогической дифференциации обломочных отложений и тем самым соответствующие обстановки осадконакопления. Так, узкие спектры, т.е. близкое расположение на гистограммах максимумов частот встречаемости, отражают высокую степень сортировки минералов, широкие спектры — слабую сортировку. Распределение измеренных (обычно с точностью 0,01 мм) обломочных зерен на оси размеров А, В и С оказывается, как правило, непрерывно-прерывистым. В пределах выделенного по плотности спектра от минимального до максимального размера выявляется область, где распределение зерен непрерывно (интервал непрерывности), а также область, где некоторые размеры зерен отсутствуют (интервал прерывистого распределения). В наиболее сортированных осадках интервал непрерывности полностью совпадает со спектром размеров.
Описанным методом исследованы два упомянутых разреза: естественное обнажение пород в береговом обрыве и в разрезе скважины 3-01 до глубины 83 м. Точки опробования показаны на сводном разрезе (рис. 2). В процессе анализа выделялись мономинеральные фракции тяжелых минералов (магнетита, монацита, ильменита, циркона, рутила, граната, эпидота) и кварца. В каждой монофракции измерены под микроскопом все зерна. При этом измерялись (с точностью 0,01 мм) все 3 их габарита (А, В и С). По результатам измерений для каждой пробы построены гранулометрические гистограммы песка по тяжелым минералам и отдельно по кварцу.
Результаты измерений толщины (С) зерен приведены на рис. 3 в виде гистограмм. Сверху вниз по разрезу (за ноль принята абсолютная высота устья скважины 21,4 м) приведены гистограммы распределения тяжелой фракции (а) и кварца (б) песков:
— выше уровня моря — из берегового обрыва на глубине 3,0 м, содержащих ПЖЛ (рис. 3, I), и из дислоцированных песчано-глинистых слоев на глубине 17 м, причем как вмещающих пластовые льды (рис. 3, II), так и не содержащих видимых включений льда (рис. 3, III);
— ниже уровня моря — по скважине 3-01 (рис. 3) на глубине 28 (IV), 30 (V), 37,5 (VI), 46 (VII), 50 (VIII) и 82 (IX) м. В качестве эталона были опробованы пески современного морского пляжа Карского моря (X).
Грануло-минералогический анализ верхней пачки песков (рис. 3, Ь, б) из берегового обрыва указывает на континентальные условия их формирования. Отложения накапливались в условиях обширной заозеренной пойменной равнины, где ветровые волны в мелководных озерах создают дополнительный фактор сортировки частиц по крупности и плотно-
сти. Об осаждении частиц в открытых замкнутых водоемах свидетельствует хорошая сортировка зерен по толщине и плотности. Эта картина подтверждается распределением кварца в пробе, где имеется явно выраженная группа зерен волновой сортировки. На периодически заливаемой паводковыми водами заозеренной равнине формируется комплекс мощных сингенетических полигонально-жильных льдов.
Пески из нижней песчано-глинистой пачки на глубине 17 м (рис. 3, II и III) формировались в морских условиях, графики распределения тяжелых минералов и кварца сравнимы с гистограммами песков современного пляжа Карского моря (рис. 3, X). Анализ песков из песчано-глинистой толщи, не содержащей видимых включений льда (рис. 3, II), показал, что хотя и отмечается достаточно отчетливая дифференциация минералов, но она не завершена, и это свидетельствует о кратковременном перемыве аллювия в условиях мелководной части шельфа. Пески, вмещающие пластовые льды (рис. 3, III), формировались на шельфе или в подводной дельтовой области при постоянно меняющейся глубине моря. На это указывают узкие спектры размеров минералов.
В песчаной фракции из глины, залегающей ниже уровня моря на глубине 28 м (рис. 3, IV), отмечается обеднение видового состава тяжелых минералов. В первую очередь накапливаются тонкие плоские зерна минералов с малой плотностью. Пироксен, хлорит гидравлически эквивалентны более плотному, но мелкому ильмениту. Частицы осаждались в спокойных условиях ледовитого моря, где льды подавляли волнение и изменяли подводные течения. В образце присутствует свежий (неизмененный) темно-зеленый глауконит — аути-генный морской минерал, который при переносе разрушается. Его присутствие является индикатором морских условий и исключает переотложение осадка. В пресной воде глауконит химически разлагается и образует пленки ожелезнения на зернах кварца. При этом он преобразуется, изменяя цвет, — из темно-зеленого, голубовато-зеленого переходит в бледно-зеленый, белый, реже темно-бурый.
Пески пылеватые с глубины 30 м (рис. 3, V) с включениями биотита, мусковита, полевого шпата указывают, что их формирование происходило в условиях хорошего пляжа или мелкого шельфа моря.
Мелкие пески на глубине 37,5 м (рис. 3, VI), с фрагментами торфа (около 1%), насыщенные высокоминерализованными водами с отрицательной температурой (криопэг), соответствуют морскому мелководью ниже уровня пляжа в зоне волнений и течений. На это указывает хорошая сортировка ильменита, граната, пироксена вместе с кварцем.
Рис. 3. Спектры распределения зерен тяжелых минералов и кварца по толщине (С), в скобках — число зерен минерала: I — тя-ков на глубине 17 м, вмещающих пластовую ледяную залежь; III — тяжелые минералы (а) и кварц (б) из песков на глубине 17 м, бине 30 м; VI — то же на глубине 37,5 м; VII — то же на глубине 46 м; VIII — то же на глубине 50 м;
С глубины 46 м (рис. 3, VII) отложения становятся более тонкими. Ильменит, гранат, пироксен, турмалин и кварц в пылеватых песках сортированы в условиях зоны подводных вдольбереговых валов ниже зоны пляжа в мелководном морском бассейне.
Примесь торфа (в пробе 3—4%) и слабоуглефи-цированных растений в алевритах, а также харак-
тер распределения зерен тяжелых минералов из песчаной фракции с глубины 50 м (рис. 3, VIII) свидетельствуют о мелководных условиях и слабой волновой переработке, которая позволила сохраниться торфу. Возможна подледная седиментация. Присутствует свежий глауконит, что, как отмечено выше, является прямым показателем морских условий во время формирования осадков.
желые минералы (а) и кварц (б) из песков на глубине 3,0 м, включающих ПЖЛ; II — тяжелые минералы (а) и кварц (б) из песне вмещающих пластовую ледяную залежь; IV — тяжелые минералы (а) и кварц (б) из песков на глубине 28 м; V — то же на глу-IX — то же на глубине 82 м; X — тяжелые минералы (а) и кварц (б) из песков пляжа Карского моря
Хорошо сортированные ильменит, магнетит и пироксен (обломочные минералы) (рис. 3, IX) из отложений с глубины 82 м могли быть снесены вместе с глиной и торфом в зону перехода от дельты к подводному склону морского бассейна.
Выводы. 1. Геохимическое опробование отложений района, как вмещающих пластовые льды, так и включенных в льды, показало, что они накап-
ливались в морских условиях и сохранили первичные седиментационные соли.
2. Микроструктурный анализ подтвердил морской генезис большей части разреза отложений исследованного района и континентальный генезис их верхнего сартанско-голоценового слоя.
3. Накопление основной, преимущественно глинистой нижней части разреза происходило в усло-
Окончание рис. 3
виях непрерывающейся трансгрессии моря, сопровождавшейся активной термоабразией и термоденудацией берегов. При этом в донных отложениях сингенетически росли пластовые льды субмарин-ного типа [14] и формировались криопэги.
4. В прибрежной части шельфа накапливались слабо переработанные волновыми процессами (из-за ледовитости моря) глинистые засолен-
ные осадки с включениями линз песков и прослоями намывного детрита.
5. На самом последнем этапе позднего плейстоцена при регрессии морского бассейна формировались континентальные отложения в условиях озерно-аллювиального и озерно-болотного режимов. Повсеместно росли полигонально-жильные льды, которые сейчас находятся в стадии консервации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баду Ю.Б., Василъчук Ю.К., Подборныш Е.Е. Крио-сфера нефтегазоконденсатных месторождений полуострова Ямал: Криосфера Харасавэйского газоконденсатного месторождения. СПб.: Недра, 2006.
2. Гатауллин В.Н. Верхнечетвертичные отложения западного побережья полуострова Ямал: Автореф. канд. дис. Л., 1988.
3. Данилов И.Д. Плейстоцен морских субарктических равнин. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978.
4. Каневский М.З., Стрелецкая ИД., Василъев А.А. Закономерности формирования криогенного строения четвертичных отложений Западного Ямала (на примере района Марре-Сале) // Криосфера Земли. 2005. Т. IX, № 3. С. 16—27.
5. Каплянская Ф.А. Пластовые залежи подземных льдов в ледниковых отложениях на западном побережье п-ова Ямал у пос. Харасовей // Пластовые льды крио-литозоны. Якутск, 1982. С. 71—80.
6. Крицук Л.Н., Дубровин В.А. Подземные льды и криогенные процессы района Марре-Сале (Западный Ямал) // Гидрогеологические, инженерно-геологические и геокриологические исследования. М.: ВСЕГИНГЕО, 2000. С. 14—25.
7. Крицук Л.Н., Дубровин В.А. Результаты изучения геокриологических условий района Марре-Сале в глубоких скважинах // Мат-лы Междунар. конф. "Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений". Т. 1. Тюмень, 2006. С. 247—251.
8. Лазуков Г.И. Карта четвертичных отложений и геоморфологическая карта // Атлас Тюменской области. Вып. 1. М.; Тюмень: ГУГК, 1971.
9. Романенко Ф.А., Воскресенский К.С., Тарасов П.Е. и др. Особенности формирования рельефа и рыхлых отложений Западного Ямала и побережья Байдарацкой губы (Карское море) // Проблемы общей и прикладной геоэкологии Севера. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. С. 41—68.
10. Соломатин В.И. Петрогенез подземных льдов. Новосибирск: Наука, 1986.
11. Стрелецкая И.Д., Каневский М.З., Василъев A.A. Пластовые льды в дислоцированных четвертичных отложениях западного побережья Ямала (район м. Марре-Сале) // Криосфера Земли. 2006. Т. X, № 2. С. 68—78.
12. Сурков А.В. Новое в изучении песчано-алев-ритовой компоненты россыпей и осадочных пород: Альтернативная методика. М.: Издатель Е. Разумова, 2000.
13. Тарноградский В.Д. О происхождении пластовых залежей подземных льдов на Карском побережье п-ова Ямал // Пластовые льды криолитозоны. Якутск, 1982. С. 80—89.
14. Шполянская H.A., Стрелецкая И.Д. Генетические типы пластовых льдов и особенности их распространения в Российской Субарктике // Криосфера Земли. 2004. Т. VIII, № 4. С. 56—71.
15. Шполянская H.A., Стрелецкая И.Д, Сурков A.B. Криолитогенез в пределах Арктического шельфа (современного и древнего) // Там же. 2006. Т. X, № 3. С. 49—60.
16. Шполянская Н.А, Стрелецкая И.Д, Сурков А.В. Сравнительный генетический анализ пластовыгх льдов и вмещающих их плейстоценовых отложений на севере Западной Сибири // Геоэкология (Инженерная геология, гидрогеология, геокриология). 2007. № 2. С. 1—13.
17. Forman S.L, Ingolfsson O, Gataullin V. et al. Late Quaternary stratigraphy, glacial limits and paleoenviron-ments of Maresale area, western Yamal Peninsula, Russia // Quatern. Res. 2002. N 21. P. 1—12.
Поступила в редакцию 11.03.2008
I.D. Streletskaya, N.A. Shpolyanskaya, N.A. Kritsuk, A.V. Surkov
CENOZOIC SEDIMENTS OF THE WESTERN YAMAL
PENINSULA AND THEIR GENESIS
According to the results of microstructural analysis the majority of Quaternary deposits of the region are of marine origin, while the uppermost Sartan-Holocene layer has the continental genesis. Mostly clay sediments were deposited under continuous sea transgression accompanied by intensive thermoabrasion and thermodenudation of sea coast. Saline clayey sediments with sand lenses and bands of detritus were formed within the coastal part of the continental shelf; they are just slightly processed by waves because ice cover was very heavy over the sea at those times.
Key words: granulometric and mineralogical analysis, genesis, Quaternary sediments.
