Многолетнемерзлых горных пород

ГОУВПО «Пермский государственный

Научно-исследовательский университет»

Кафедра инженерной геологии и охраны недр

АЛВАНЯН АНТОН КАРАПЕТОВИЧ

ЛЕКЦИИ

«ГЕОКРИОЛОГИЯ»

ПЕРМЬ 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ЛЕКЦИЯ 1.РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ЭВОЛЮЦИЯ ТОЛЩ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

1.1. История развития и распространения на планете

многолетнемерзлых горных пород

Эволюция Земли насчитывает почти 5 млрд лет. В ее истории выделяются три крупных этапа, определивших по существу современный облик литосферы. Это — начальный или архейский (2*10⁹ лет), протерозойский (порядка 2*10⁹ лет) и новейший или исторический (0,6*10⁹ лет) этапы развития геосфер и литогенеза. На археозойском этапе развития Земли господствующим типом литогенеза был вулканогенно-осадочный характеризующийся накоплением на дне океанов лав и масс рыхлого пеплового материала с небольшим содержанием выветрелых терригенных осадков. В конце археозоя, очевидно, начинается дифференциация типов литогенеза, проявившаяся на протерозойско-рифейском этапе и приведшая к развитию гумидного, аридного, вулканогенно-осадочного и ледового или криогенного типов осадочного породообразования. Кэтому этапу относятся первые достоверно известные ледниковые отложения материкового типа. Расширение площади суши привело не только к оледенениям и образованию специфических отложений криогенного типа, но и к резкому увеличению сноса в океаны обломочного и растворенного материала (особенно карбонатов) и преобладанию в целом экзогенного характера литогенеза над вулканогенно-осадочным.

Криогенный тип литогенеза, сформировавшийся в протерозое, является наиболее молодым и приобретает все больший вес и значение по мере приближения к современной эпохе. Подтверждением этому служит ужесточение климата и сгущение ритмов похолоданий (оледенений). Отчетливо такая направленность процесса прослеживается с конца мезозойской эры, что должно было приводить к закономерному повышению частоты встречаемости криогенного типа литогенеза. Необратимость эволюции типов литогенеза, таким образом, проявляется в постепенном вытеснении вулканогенно-осадочного типа вначале гумидным, а затем и аридным, и наконец, намечается тенденция преобладания криогенного типа литогенеза над другими.

Общая направленность в развитии нашей планеты (снижение радиогенного тепла из недр, возрастание площади суши, а следовательно, повышение суровости климата и скорости континентального осадкообразования) уже в конце протерозоя могли привести не только к эпикриогенному промерзанию толщ горных пород, но и, возможно, к формированию синкриогенных осадков.

Поскольку изученность криогенного типа литогенеза пока чрезвычайно слаба (исключая собственно ледниковые отложения и синкриогенные толщи пород), на сегодняшний день существует еще мало данных, подтверждающих распространение, в древние эпохи толщ мерзлых пород. Доказательством служат в основном обнаружение древних материковых оледенений по моренным отложениям. Уплотненные и сцементированные древние морены, плотность которых близка, к породам типа песчаников, названы т и л л и т а м и. Обнаружение таких образований докембрийского, ордовикского, силурийского, пермского и каменноугольного возраста в разных районах земного шара однозначно указывает на неоднократное возникновение, существование и исчезновение ледниковых покровов, а, следовательно, и многолетнемерзлых горных пород. Крупные же ледниковые покровы, например Антарктиды и Гренландии, приводят к существенному понижению среднегодовых температур не только над самим ледником (до —30÷ —60 °С), но и на значительных прилегающих территориях (за счет воздействия холодных и сухих стоковых ветров). Поэтому крупные ледниковые покровы характеризуются, как правило, достаточно широкими, прилегающими к ним перигляциальными зонами, в пределах которых существуют низкотемпературные мерзлые толщи. Вместе с тем под ледниковыми покровами большой мощности вследствие давления ледяной толщи или повышенных тепловых потоков из недр многолетнемерзлые породы могут отсутствовать.

На основе установленных по отложениям наиболее крупных оледенений геологической истории Земли можно выделить пять временных интервалов (периодов), когда многолетнемерзлые породы должны были пользоваться широким развитием на планете. Это — ранний протерозой (2,4—2,1 млрд. лет), поздний (рифейский) протерозой (1—0,6 млрд. лет), ранний палеозой (460—420 млн. лет), поздний палеозой (330— 230 млн. лет) и поздний кайнозой (25—0 млн. лет). Места обнаружения тиллитов и районов развития ледниковых отложений и мерзлых толщ в эти периоды характеризуются разбросанностью и удалением друг от друга.

На рис. 1.1 приведено предполагаемое положение материков в различные периоды геологического развития Земли и районы предполагаемого развития толщ мерзлых горных пород.

Рис. 1.1. Предполагаемое распространение на континентах ледниковых покровов и мерзлых пород в истории Земли:

а — раннепротерозойское оледенение (по данным Г. Янгу, Н. М. Чумакова); б — ранне-палеозойское оледенение (по данным Б. Джона, С, А. Ушакова и Н. А. Ясаманова); в — позднепалеозойское оледенение (по данным А. Вегенера, Б. Джона, С. А. Ушакова и Н. А. Ясаманова); г — позднекайнозойское оледенение (ло данным Б. Джона); 1 — следы оледенения; 2 — площади предполагаемых ледниковых покровов и мерзлых пород.

Древнейший — раннепротерозойский — ледниковый период (2,4—2,1 млрд. лет) в истории Земли связывается обычно с обнаружением мощных толщ осадочных пород (до нескольких сотен метров), которым приписывается ледниковое происхождение. Это район оз. Гурон в Канаде, восточная часть Южной Африки и северо-западная часть Австралии. Такие толщи пород проявляют большое сходство с моренами и состоят из обломков различной формы и размеров и мелкозернистого заполнителя, т.е. могут характеризоваться как типичные тиллиты. В гуронских отложениях при этом обнаружены скальные поверхности и обломки с ледниковой штриховкой. Указанные три района развития раннепротерозоиских оледенений находятся в настоящее время на значительном расстоянии друг от друга. Согласно существующим реконструкциям положения материков в прошлом можно предполагать существование в то время гигантского «протерозойского суперконтинента» с двумя главными центрами оледенения: в Северной Америке и в Южной Африке - Западной Австралии. Возможно, что именно к этим двум районам в раннем протерозое и были приурочены обширные области развития многолетнемерзлых горных пород (рис. 1.1, а).

Позднепротерозойский ледниковый период (0,95— 0,6 млрд. лет), по-видимому, как и раннепротерозойский, включал три (а возможно и серию) самостоятельных ледниковых этапа: около 600, 750 и 950—900 млн. лет назад. Формирование ледниковых покровов происходило при этом на фоне раскола протерозойского «суперконтинента». Ряд американских исследователей считают, что это время было периодом самого обширного оледенения в истории Земли, поскольку ледниковые покровы могли тогда формироваться в высоких, умеренных и даже тропических широтах. Они встречены практически на всех современных материках. Разрезы ледниковых отложений изучены в Шотландии, где тиллитовая формация характеризуется мощностью до 870 м и вмещает более четырех десятков «микститовых» горизонтов.

Микститы — осадочные породы, состоящие из смеси тонких частиц, гальки и более крупных обломков, — обычно переслаиваются с песчаниками, алевролитами и другими слоистыми и осадочными породами, что указывает на их формирование в обстановке мелководного шельфа. Вообще для позднепротерозойских тиллитовых формаций характерна ледниково-морская цикличность.

Раннепалеозойский (позднеордовикский) ледниковый период (460—430 млн. лет) начал выделяться исследователями в последние 15—20 лет, благодаря работам геологов-нефтяников в Западной Африке и Сахаре, которые обнаружили бесспорные свидетельства крупного материкового оледенения. Особенностью ордовикских ледниковых отложений является их песчаный состав. Высокопористые песчаники являются нефтеносными коллекторами. Тиллитовые формации при этом нередко содержат гигантские валуны со следами ледниковой штриховки, а также валуны и гальку, рассеянные в песчаниках или реже — в алевролитах.

К позднеордовикскому времени (по сравнению с позднепро-терозойским) произошло существенное изменение в расположении материковых плит (рис. 1.1,б). На западе находились обособленные друг от друга древние аналоги Северной Америки и Европы, а на юго-востоке существовал суперконтинент, именуемый Гондваной, объединяющий современную Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию. Южный полюс в это время находился на месте теперешней Сахары, поэтому позднеордовикские ледниковые отложения и многолетнемерзлые породы были развиты одновременно на территориях современной Африки, Саудовской Аравии и Южной Америки (рис. 1.1,б).

На обширной и, по-видимому, сравнительно плоской территории Гондванского суперконтинента могли иметь место несколько различных ледниковых покровов, которые соединялись, только во время главных стадий оледенений. Между этими ледниковыми покровами, вероятно, существовали обширные пространства с резкоконтинентальным климатом и низкими отрицательными температурами, что обеспечивало формирование мощных толщ мерзлых пород. Следы предполагаемых силурийских и девонских ледниковых формаций были обнаружены в ряде районов на востоке Южной Америки и на западном побережье Южной Африки.

Позднепалеозойский (пермско-каменноугольный) ледниковый период характеризовался общей продолжительностью около 50 млн. лет (310—260 млн. лет назад.). В этот период широко распространились ледниковые покровы, вечная мерзлота, шельфовые ледники и плавучие льды. Это было время крупного суперконтинента - Пангея (рис. 1.1, в). В пермско-каменноугольное время интенсивно проявились тектоника плит и горообразовательные процессы. При столкновении краев плит формировались новые горные хребты (Уральские горы, герцинские горы Европы и др.). Образование крупных горных цепей сопровождалось широким проявлением вдоль краев плит вулканических извержений, излияний лав и тепловых выбросов в атмосферу, что могло уменьшать прозрачность атмосферы и снижать поступление солнечной радиации к поверхности Земли. Позднепалеозойское оледенение, распространенное в Южном полушарии, было континентальным. Центр оледенения, по-видимому, располагался в Восточной Антарктиде — Южной Африке, откуда двигались ледники в направлении Австралии, Индостана и Южной Америки. В Северном же полушарии, которое было в большей мере океаническим, следы оледенения обнаружены только в ограниченных районах северо-востока Сибири.

На большей части Гондваны (южная часть Пангеи) многие миллионы лет преобладали ледниковые и перигляциальные условия. Многолетнемерзлые породы в пермско-каменн о й ледниковый период занимали, по-видимому, в истории Земли наибольшие по площади территории как в высоких, так и в умеренных широтах. Наибольшее распространение льдов, по-видимому, имело место около 280 млн. лет назад. Пермско-каменноугольный ледниковый период, вероятно, характеризовался несколькими ледниковыми эпохами, которые не были синхронными на различных континентах (рис. 1.1, в). Во время главных оледенений разрозненные мощные ледниковые покровы, вероятно, сливались, образуя единый гигантский покров по площади более чем вдвое превышавший современную Антарктиду. Характерно, что Гондванский ледниковый покров частично располагался в море, поскольку в районах развития пермско-каменноугольных ледниковых покровов обнаружены ледово-морские осадки. Агрегация и деградация ледниковых покровов во время оледенений и межледниковий сопровождались колебаниями уровня моря на 150—200 м.

Наиболее яркие свидетельства пермско-каменноугольного оледенения обнаружены в южной части Южной Америки. В Аргентине и Бразилии сохранились ледниковые образования мощностью до 1600 мвключающие тиллитовые толщи штрихованные скальные поверхности, ледниково-морские отложения. Ледниковые отложения Южной Африки и Мадагаскара (мощностью до 1000 м) представлены в основном тремя типами: неслоистыми тиллитами континентального происхождения, слоистыми тиллитами с морскими ископаемыми и ленточно-слоистыми образованиями. Свидетельства оледенений в Южном полушарии зафиксированы также в Южной Австралии, Антарктиде, Индии и Пакистане.

В Северном полушарии подтверждением пермско-каменноугольного оледенения служат микститы (США, штат Массачусетс), которые, скорее всего, формировались в локальных условиях гор, а также гляциально-морские отложения северо-восточной части Сибири, (например, в бассейне р. Омолон—приток р. Колымы).

Кайнозойский ледниковый период (25—0 млн. лет). В Антарктиде, по-видимому, он начался более трех десятков миллионов лет назад, а около 8—12 млн, лет назад оледенению начали подвергаться высокие горные хребты Аляски. В течение кайнозоя, по С. А. Ушакову, происходило интенсивное раздвижение (дрейф) континентов в широтном направлении. В палеоцене от Евразии и Северо-Американского континента обособилась Гренландская плита, Австралия откололась от Восточной Антарктиды. В олигоценовую эпоху произошло столкновение и присоединение Индии к Евразии, что вызвало возникновение в Центральной Азии крупных горных сооружений, В миоцене очевидно, сформировалось положение материков на земном шаре, соответствующее современному. На протяжении кайнозойской эры происходило направленное похолодание, развивающееся неравномерно, поскольку в отдельные, временные интервалы зафиксировано чередование потеплений и похолоданий. Предполагается, например, что в эоцене обобщенная средняя температура Земли была выше современной на 9—10°С, а в конце олигоцена — на 4—5°С, причем понижение температуры более интенсивно протекало в Южном полушарии, что, очевидно, вызвано появлением льдов в приполярных районах.

В этот период, когда между Антарктидой и Австралией образовался глубокий пролив (середина олигоценовой эпохи), сформировалось Антарктическое течение, что привело к сокращению поступления теплых вод средних широт и усилению циклонической деятельности. С этими причинами связывается начало покровного оледенения в Антарктиде, медленно перемещавшейся в район Южного полюса. Оледенение Антарктиды, в свою, очередь, приводило к резкому увеличению альбедо поверхности и еще большему выхолаживанию этого материка, а следовательно, и к большему понижению средних температур на всем земном шаре. Вероятно, оледенение в Антарктиде возникло в Трансантарктических горах и горах Гамбурцева еще в олигоцене 38—26 млн. лет назад. Существующий в настоящее время ледниковый покров, по-видимому, начал формироваться в начале миоцена (25—20 млн лет назад). Первые свидетельства оледенения в Северном полушарии обнаружены в высоких горах Южной Аляски, где ледниковые отложения переслаиваются с лавами. По калий-аргоновым датировкам ледниковый покров существовал с середины миоцена (около 10 млн лет назад).

Возникновение ледяного покрова в Северном Ледовитом океане по своему воздействию на климат земного шара, очевидно, сопоставимо с образованием Антарктического ледникового покрова начиная с этого времени, на континентах на фоне ритмических изменений климата происходило прогрессирующее похолодание. В среднем и позднем плейстоцене насчитывается несколько крупных оледенений: окское, днепровское, валдайское (в европейской части РФ), зырянское и сартанское (в Сибири). С этими ритмическими эпохами похолоданий связано широкое развитие многолетнемерзлых пород.

Поиск по сайту: