Геохимический состав подземных льдов севера Российской Арктики
Васильчук Юрий Кириллович
доктор геолого-минералогических наук,
профессор
Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова (МГУ)
Аннотация
Выполнены исследования состава водно-растворимых солей из повторно-жильных и пластовых льдов различных районов российской Арктики: Западной Сибири, центральной и северной Якутии, Чукотки. Исследованы гидрохимические характеристики повторно-жильных льдов в опорных едомных разрезах Арктики: Сеяхинском, Дуванноярском, Зеленомысском, Плахинском, Майнском, Айонском, Мамонтовогорском и др., а также пластовых ледяных залежей Ямальского Юрибея, Ледяной Горы на Енисее, Новосибирских островов и др. Изучена гидрохимия голоценовых жил острова Белый, Монгаталянгъяхи, Колымы и др. Методология работы основана на том, что химический состав подземных льдов в значительной отражает особенности гидрохимической обстановки времени их образования или промерзания и может быть важным критерием для реконструкции палеофациальной компоненты при палеогеокриологических построениях. Для сопоставления льдов разных регионов разработана гидрохимическая классификация (систематика) подземных льдов: ультрапресные льды с минерализацией менее 50 мг/л, пресные - 50-200 мг/л, опресненные - 200-400 мг/л, слабосоленные - 400-1000 мг/л, среднесоленые - 1000-5000 мг/л, сильнозасоленные - 5000 мг/л и более. Установлено, что более половины образцов из повторно-жильных льдов Чукотки имеют минерализацию менее 0,05 г/л, тогда как жилы с такой минерализацией в Западной Сибири встречены лишь в 16%, а на севере Якутии - в 14% случаев. Но если взять более широкий диапазон - минерализация менее 0,15 г/л, то сходство ближе - на Чукотке это почти 100% всех проанализированных образцов, в Западной Сибири - 89%, а на севере Якутии - 80%. Эти данные говорят о том, что хотя в составе солей в ледовых толщах различных Арктических регионов Евразии и имеются региональные различия (вызванные прежде всего неодинаковым характером переноса воздушных масс в зимнее время и разным влиянием близ расположенных морей и океанов), но гораздо выразительнее их сходство, которое проявляется в низкой минерализации и доминировании гидрокарбонатов, что, скорее всего, свидетельствует об атмосферной природе воды, в основном питавшей жилы в позднем плейстоцене, так же как и позднее - в голоцене и в настоящее время. Отдельные находки сильноминерализованных жил указывают на возможность, в редких случаях (менее 10%), участия в сложении жил, формировавшихся в позднем плейстоцене и голоцене морских лагунных и эстуарных вод при образовании жильных или пластовых льдов на мелководьях. В континентальных районах большая минерализация свидетельствует об участии застойных-болотных вод и вторично засоленных (в результате выпаривания и криогенной минерализации) вод сезонно-талого слоя. Данные по гидрохимическому составу пластовых льдов нередко являются решающими при определении генезиса ледяного пласта, это отразилось в увеличении засоления вниз по разрезу в пластовой залежи Ледяная Гора на Енисее, указывающее на внутригрунтовый характер льдообразования, также нижние горизонты пластовых льдов о.Новая Сибирь скорее всего формировались преимущественно сингенетически в процессе инъекционного льдообразования, а вот пластовые залежи встреченные в скважинах на больших глубинах на севере Урала и Пай-Хоя с минерализацией до 4700 мг/л формировались при эпигенетическом промерзании перохлажденных криопэгов.
Ключевые слова: повторно-жильный лед, пластовый лед, гидрохимический состав, поздний плейстоцен, голоцен, Западная Сибирь, Якутия, Чукотка, Арктика, Северная Евразия
Abstract
The paper studies the composition of water-soluble salts of ice wedges and massive ice of different regions of the Russian Arctic: Western Siberia, central and northern Yakutia, Chukotka. The research methodology is based on the fact, that the chemical composition of ground ice reflects the hydrochemical conditions of the period of ice formation or freezing and can serve as an important criterion for the reconstruction of a paleo-facial component in paleo-geocryological elaborations. To compare the ice of different regions, the author develops a hydro-chemical classification (systematization) of ground ice: ultra-fresh ice with mineralization less than 50 mg / l, fresh ice - 50-200 mg / l, desalted - 200-400 mg / l, light-salted - 400-1000 mg / l, mesohaline - 1000-5000 mg / l, highly saline - 5000 mg / l and more. The author finds out that ice mineralization is less than 0.05 g / l in more than a half of samples from the ice wedges in Chukotka, while the ice samples with the same mineralization reach only 16% of cases in Western Siberia and 14% of cases in Northern Yakutia. However, if we take a broader range - (mineralization less than 0.15 g / l), then the closest resemblance is observed. This range includes almost 100% of the analyzed samples in Chukotka, 89% in Western Siberia and 80% in Northern Yakutia. These findings suggest that though there are regional differences between the composition of salts in permafrost sediments of different Arctic regions of Eurasia (caused primarily by the uneven nature of air masses transport in wintertime and the different influence of seas and oceans), their similarity is much more significant. This manifests itself in low mineralization and dominance of hydrocarbons, indicating, most likely, the atmospheric nature of water that had fed ice wedges in the Late Pleistocene, in the Holocene and the present time. Certain findings of high-salt ice wedges in rare cases indicate the possibility of sea, lagoon and bog waters participation in the ice wedges formation in the Late Pleistocene and Holocene in the shallow water conditions. In the coastal areas high mineralization indicates the involvement of dead and salt-affected waters of seasonally thawed layer. Data on the hydrochemical composition of massive ice are often decisive for determining the genesis of ice layer. It had resulted in increase of salinity downward the massive ice section Ledyanaya Gora (Ice Mountain) in the Yenisei River valley, indicating the intra-ground origin of the ice. The lower horizons of massive ice in the New Siberian Archipelago formed syngenetically by the injection. Strongly mineralized (4700 mg / l) massive ice formed at epigenetic freezing process found in wells at great depths in the northern Urals and Pai-Khoi.
Keywords: Western Siberia, Holocene, Late Pleistocene, hydrochemical composition, massive ice, ice wedge, Yakutia, Chukotka, the Arctic, Northern Eurasia
Введение
Химический состав подземных льдов в значительной мере отражает особенности гидрохимической обстановки времени их образования или промерзания и может быть важным критерием для реконструкции палеофациальной компоненты при палеогеокриологических построениях. Автором выполнены исследования состава водно-растворимых солей из повторно-жильных и пластовых льдов и вмещающих их отложений различных районов российской Арктики [1, 2]. Общее количество анализов химического состава льда, выполненных по сборам автора составило около 2,5 тысяч.
Методика отбора образцов
Образцы из подземных льдов отбирались не по одной вертикальной или горизонтальной линии, а часто по «сетке», для выявления изменения химического состава по всему поперечному сечению массива льда. Образцы отбирались из обнажений, шурфов и скважин. Все образцы отбирались из чистого льда. Относительно просто это было сделать в шурфах; несколько сложнее в обнажениях, где для отбора чистых образцов льда и для исключения влияния процессов поверхностного обмена, приходилось скалывать слой мощностью 0,3-0,5 м и лишь затем уже отбирать образец: Часть образцов отобрана в шурфах кольцевым ледобуром, позволяющим отбирать большие, чистые образцы до глубины 5 м от поверхности. Во всех случаях образцы очищались от избыточных минеральных примесей. Лед с большим количеством минеральных включений откалывался и выбрасывался. Чистые ледяные монолиты помещались в двойной пластиковый мешок. Они таяли при температуре, не выше средней комнатной, затем переливались в стеклянную или химически инертную пластмассовую посуду и плотно закрывались. Обработка образцов в химических лабораториях по возможности ускорялась, чтобы исключить химический обмен с воздухом окружающей среды, который неизбежен при длительном хранении. Следует задержать внимание и на влиянии минеральных примесей на химический состав подземных льдов. Несомненно, минерализация льда, содержащего большое количество примесей грунта, выше, чем чистого льда. Но нужно было установить, а не влияет ли малое количество примесей (менее 5%) на состав льда. Чаще всего, именно такие незначительные включения грунта, отмечаются в повторно-жильных, пластовых а иногда и в сегрегационных льдах. Летом 2016 г. автором в поле в долине р.Сенцы (Восточный Саян) был поставлен эксперимент. Из разреза ледоминерального бугра пучения (литальза) из толстого (мощностью более 30 см) шлира (пласта) сегрегационного льда (рис. 1) были отобраны две серии образцов - с небольшой примесью суглинка, захваченного из вмещающих отложений и образцы в которых этот суглинок был по возможности полностью изъят.
Рис. 1. Лед из толстого шлира (пласта) в ледоминеральном ядре литальза в долине р.Сенца, Восточный Саян. Фото Ю.Васильчука, июль 2016 г.
Сразу же после оттаивания была замерена электропроводность с помощью электронного TDS-метра (солемера). Полученные значения для чистого льда не превышали 2-4 микросименсов (мксм) на см., а в относительно чистом сегрегационном льду, но с примесями суглинка часто значения были выше нескольких десятков и даже сотен мксм/см. Из этого следует, что в тех случаях когда измеряется соленость во льду с примесью грунтов, это минерализация не льда, а скорее грунта который в нем содержится. В этом плане большинство опубликованных данных, получено именно из таких образцов, где лед смешан с грунтом. Однако, как представляется автору, к примеру для повторно-жильных льдов (ПЖЛ) оценка минерализации по такому смешанному с грунтом льду тоже достаточно информативна, поскольку основным источником льда в ПЖЛ является талая вода, попадающая весной в образовавшиеся зимой морозобойные трещины, и если туда попадает грунт, то он является в определенном смысле составной частью этой попадающей воды и указывает на фациальную среду жильного льдообразования. Для исследования влияния минеральных включений в жильных льдах из обнажения Зеленый Мыс мы профильтровали часть воды, полученную при таянии нескольких десятков образцов льда (фильтрация производилась сразу после оттаивания), и провели параллельно химический анализ воды с осадком и воды отфильтрованной. Во всех случаях результаты получились очень близкие (а в некоторых образцах отфильтрованная вода оказалась даже чуть более минерализованной - возможно сказалось влияние фильтра, или это допустимая систематическая ошибка метода измерений). Кроме того, был проведен еще один эксперимент: несколько образцов льда таяло на фильтре, в результате выявилось, что первая порция талой воды несколько менее минерализована, чем последующие, однако и в этом случае разница в минерализации была весьма незначительной. Отбор образцов по сетке дал возможность определить изменение химического состава пластовых залежей, что позволило судить об очередности поступления вод в формирующийся пласт и таким образом получить дополнительные сведения о генезисе залежеобразующих пластовых льдов. При исследовании жил опробование по сетке позволило установить, что лед жил часто дифференцирован на зоны неодинаковой минерализации, располагающиеся в виде клиньев различной длины и сечения, вложенных друг в друга. Особенно это явление выражено в разрезах с большей степенью засоления ледяных жил [3, 4]. Конфигурация клиньев с разной засоленностью в теле жил не всегда правильная, часто они существенно несимметричны. Как показали повторные исследования такие засоленные фрагменты жил имеют не очень большое протяжение. Как правило они имеют размер по латерали - несколько метров или первые десятки метров. Возникают клинья в результате последовательной смены фациальной и гидрохимической обстановки во время формирования ледяных жил, куда обычно подтекает вода из образовавшихся по близости от морозобойной трещины на поверхности сильнозасоленных небольших водоемов - луж, озер, канавок.
Общая и региональная характеристика минерализации ПЖЛ
Большинство опубликованных данных указывает на низкую степень засоления повторно-жильных льдов, что дало повод для заключения об их повсеместной низкой минерализации, не превышающей 100 мг/л. Полученные автором результаты свидетельствуют о том, что это не всегда так. Действительно, основная часть повторно-жильных льдов - пресная. Однако в ряде разрезов сингенетические повторно-жильные льды минерализованы значительно существеннее. Жильные льды с повышенным содержанием сухого остатка встречены нами на севере Западной Сибири и в некоторых случаях в едомных толщах Северной Якутии и даже в жилах Центральной Якутии. Иное дело, что причины этой повышенной минерализации во всех перечисленных районах - свои и часто существенно различны. То же можно, в полной мере, отнести и к пластовым ледяным залежам, генезис которых столь разнообразен, что ни общая величина минерализации, ни качественный состав ионного комплекса, ни даже распределение солей в объеме ледяного пласта в отдельности не могут использоваться как криогенетический индикатор. Однако подчеркнем, что без этой информации заключения о генезисе пластов часто просто безосновательны. И лишь использование гидрохимических особенностей в комплексе с криолитологическими, биостратиграфическими и изотопными методами могут помочь сравнительно объективной интерпретации генезиса пластовых ледяных залежей. При этом также следует учитывать региональные и локальные особенности формирования ледяных тел.
Анализ большого массива данных по минерализации подземных льдов разных районов России позволил автору разработать следующую рабочую классификацию (систематику) подземных льдов: ультрапресные льды с минерализацией менее 50 мг/л, пресные - 50-200 мг/л, опресненные - 200-400 мг/л, слабосоленные - 400-1000 мг/л, среднесоленые - 1000-5000 мг/л, сильнозасоленные - 5000 мг/л и более
Химический состав подземных льдов весьма неоднозначно зависит от их местоположения. Точнее, следовало бы сказать, что нам пока не ясны все нюансы такой зависимости. В частности, не очень понятно, в какой мере влияет на химический состав подземных залежей близость моря, вертикальная поясность, суровость геокриологической обстановки и т. д. Остановимся изменчивости минерализации подземных льдов в пределах трех крупных регионов: на севере Западной Сибири, в Якутии и на Чукотке.
Особенности химического состава подземных льдов Западной Сибири
Анализ данных о химическом составе льда показывает, что вероятность встречи на севере Западной Сибири опресненных и слабозасоленных (это классификационные, а не качественные названия) повторно-жильных льдов с величиной общей минерализации более 200 мг/л не превышает 10%. Интересно, что в 28% изученных проб содержание иона хлора превышает 20 мг/л, а в 80% оно более 100 мг/л [1, 2]. Эти два показателя - высокая минерализация и большое содержание хлоридов, пожалуй, наиболее убедительные индикаторы палеофациальных условий.
Несмотря на редкую встречаемость слабозасоленных разностей повторно-жильных льдов, пренебрегать ими не следует, так как именно эти жилы являются прямыми индикаторами морского или лагунно-морского режима осадконакопления (в условиях верхней литорали и пляжа) во время их формирования. Интересно, что соотношение более засоленных и менее засоленных льдов в сингенетических плейстоценовых и голоценовых жилах в Западной Сибири несколько различно.
Мощные позднеплейстоценовые сингенетические повторно-жильные льды, залегающие в разрезах высоких позднеплейстоценовых морских и лагунно-морских (губских) террас севера Западной Сибири, как правило, характеризуются невысокой степенью засоления. По принятой нами систематике подавляющее их большинство относится к пресным и ультрапресным; чаще всего гидрокарбонатно- или хлоридно-натриевым. Наблюдается тенденция к увеличению минерализации льда от 20-100 мг/л в жилах, заключенных в толщах лагунно-морских отложений, до 100-500 мг/л в толщах морских отложений. Отметим, что и в пресных позднеплейстоценовых сингенетических жилах могут обособляться зоны с различной минерализацией. Например, в мощной ледяной жиле (рис. 2), располагающейся в толще органоминеральных отложений позднеплейстоценового возраста с датировками по 14С от 30 до 11 тысяч лет назад у пос. Сеяха (центр Восточного Ямала), минерализация изменяется снизу-вверх от 40-80 до 110-140 мг/л, что, вероятно, указывает на некоторое увеличение влияния более соленых губских вод на заключительных этапах формирования льда жилы.
Рис. 2. Повторно-жильные льды в верхней части едомы на берегу Обской губы, близ пос.Сеяха, Восточный Ямал. Фото Ю.Васильчука, июль 2016 г.
Об этом же свидетельствует и анализ водной вытяжки из вмещающих жилы органоминеральных отложений. Их засоленность возрастает снизу-вверх от 0,10 до 0,16%, причем в значительной степени увеличение ее обязано росту содержания хлоридов натрия и калия - типичных солей морских вод.
Среди позднеплейстоценовых достаточно широко развиты жилы с низкой минерализацией льда, хотя и здесь отмечаются жилы опресненные и даже слабозасоленные - в которых величина сухого остатка превышала 500 мг/л. Часто даже синкриогенные повторно-жильные льды в толщах морских террас являются ультрапресными - величина сухого остатка в них не превышает 50 мг/л. Особенно мала минерализация в самых верхних частях жил, в сложении которых, наряду с льдом реликтовой позднеплейстоценовой жилы, участвует и эпигенетический голоценовый лед, внедрявшийся позднее. При оценке этих данных следует иметь в виду особенности непосредственного полевого изучения и отбора проб льда из реликтовых позднеплейстоценовых сингенетических жил. Чаще всего в сфере наблюдений (в обнажениях, скважинах и особенно в шурфах) оказывается именно эта верхняя «распресненная» часть жил.