Статья: Состав, строение и свойства многолетнемерзлых песков территории Восточной Сибири

Состав, строение и свойства многолетнемерзлых песков территории Восточной Сибири

Аверкина Татьяна

Аннотация

Объектом исследований являются многолетнемерзлые песчаные грунты Восточной Сибири. Их возрастной диапазон - от мезозоя до голоцена включительно. Дочетвертичные многолетнемерзлые пески развиты в пределах Вилюйской синеклизы и Хатангского прогиба и относятся к категории эпикриогенных. Песчаные грунты четвертичного возраста входят в состав водно-ледниковых, озерно-ледниковых, морских, аллювиально-морских, эоловых, озерно-аллювиальных и аллювиальных генетических комплексов. В северных районах верхнюю часть разрезов этих комплексов обычно слагают синкриогенные грунты, а эпикриогенные их подстилают. В центральных и южных районах эпикриогенные отложения часто залегают непосредственно с поверхности. Изучение фондовых и опубликованных материалов позволило выявить и обобщить особенности состава, строения и свойств многолетнемерзлых песков платформенных и горных территорий Восточной Сибири. Отмечено, что их гранулометрический состав изменяется в широких пределах - от гравелистых до пылеватых разностей. Чем выше дисперсность песков, тем обычно выше их естественная влажность и коэффициент пористости и ниже плотность грунта и скелета грунта. Мелкие и пылеватые песчаные грунты нередко имеют шлировую криотекстуру, при оттаивании дают заметную осадку и часто переходят в плывунное состояние. У более крупных песков криотекстура преимущественно массивная, осадка при оттаивании незначительная.

Ключевые слова: криотекстура, свойства, строение, состав, эпикриогенные, синкриогенные, пески многолетнемерзлые, платформы, орогены, Восточная Сибирь

The object of this research is the permafrost sandy soils of Eastern Siberia. Their age range spans from the Mesozoic through the Holocene. The pre-quaternary permafrost sands are developed within the limits Vilyuy syneclise and Khatanga trough, and fall into the epicryogenic category. The quaternary sands are composed of aqueoglacial, glaciolacustrine, marine alluvial-marine, eolian, lacustrine-alluvial and alluvial genetic units. In the northern districts, the syncryogenic soils usually compose the upper part of the cutoffs of these units, while underlying the epicryogenic soils. In central and southern districts, the epicryogenic sands are often embedded on the surface. The study of archive and published materials allowed revealing and generalizing the peculiarities of composition, structure and characteristics of permafrost sands of the platform and mountain territories of Eastern Siberia. It is noted that their granulometric composition extensively varies - from gravelly to silty types. The higher is the sand dispersion, the higher is their natural moisture and porosity factor, and the lower is the density of soil and soil skeleton. The fine and silty sandy soils often have a schlieren cryogenic structure, significantly settle during thawing and frequently develop into the running sands. The larger sands have a predominantly massive cryogenic structure, and settle insignificantly during thawing.

• Keywords: синкриогенный песок платформенный грунт

platforms, cryogenic structure, properties, structure, composition, epicryogenic, syncryogenic, permafrost sands, orogens, Eastern Siberia

Введение

Песчаные породы составляют значительную часть осадочной оболочки Земли, активно вовлекаются в хозяйственную деятельность людей и являются важным объектом научных и практических исследований. На территории Восточной Сибири значительная часть песков находится в многолетнемерзлом состоянии. Они встречаются на платформенной части региона (Сибирская и Яно-Колымская платформы) и в пределах горных территорий (Верхояно-Чукотский, Алтае-Саянский, Забайкальский орогены и Байкальский рифтоген). Возрастной диапазон многолетнемерзлых песков очень широкий - от мезозоя до голоцена включительно. Дочетвертичные песчаные грунты относятся к категории эпикриогенных, четвертичные представлены и синкриогенными, и эпикриогенными разностями.

Синкриогенные пески платформенных территорий

На севере Восточной Сибири (севернее 65⁰ с.ш.) вследствие сурового континентального климата и низких отрицательных температур пород рыхлые четвертичные отложения, и пески в том числе, промерзали и промерзают преимущественно сингенетически. В пределах 62-65⁰ с.ш. в период голоценового оптимума часть сингенетических толщ протаяла и заместилась эпикриогенными грунтами. А на юге в это время протаяли все плейстоценовые синкриогенные толщи, хотя следы их существования обнаружены в разрезах второй, третьей, четвертой и пятой террас Ангары, Лены (в верхнем течении) и их притоков ^[7].

В северных районах Сибирской платформы, Хатангском прогибе и Яно-Колымской плите к категории синкриогенных относятся средне-верхнеплейстоценовые песчаные грунты озерно-аллювиального, озерно-ледникового и водно-ледникового генезиса, а также верхнеплейстоцен-голоценовые аллювиального, аллювиально-морского и эолового генезиса.

Флювиогляциальные пески мощностью до 40 м полимиктовые, преимущественно крупно- и среднезернистые, косослоистые, с включениями гальки и валунов (иногда до 50 %). Криотекстура грунтов массивная, суммарная влажность составляет 20-30 %, при протаивании возможна незначительная осадка - от 0,5 до 5%. Озерно-ледниковые и озерно-аллювиальные пески более дисперсные - мелкие и пылеватые с прослоями глины или торфа. У мелких разностей криотекстура массивная и льдистость 10-15%, у пылеватых часто тонкошлировая и более высокая льдистость. Аллювиальные пески русловой фации обычно грубозернистые с массивной криотекстурой. Пески пойменной фации традиционно более тонкие - мелкие и пылеватые, в таблице 1 приведены некоторые показатели их свойств.

Таблица 1

Свойства аллювиальных песков пойменной фации II надпойменной террасы р.Котуй ^[2]

Примечание: перед дробью - среднее значение показателя, в числителе дроби - среднее квадратическое отклонение, в скобках - коэффициент вариации, в знаменателе дроби - минимальное и максимальное значения, после дроби - количество определений

На Яно-Колымской плите прослои и линзы песков встречаются в разрезах широко развитых синкриогенных едомных толщ (другие названия - ледовый комплекс и лессово-ледовый комплекс). В качестве примера рассмотрим известный разрез Дуванный Яр, который расположен в низовьях р.Колымы и является самым значительным обнажением огромной Омолоно-Анюйской едомы, имеющей площадь более 1000 км². Толща отчетливо делится на две части. Верхняя имеет мощность 15-20 м, сложена супесями, в самом верху перекрытыми сильно пылеватыми песками с незначительным содержанием органики. В нижней части, мощностью 25-35 м, тоже развиты супеси, но уже с высоким содержанием органического вещества в виде линз и прослоев (до 0,5 м). Льдистость толщи с учетом текстурообразующего льда составляет около 50%. В верхней части разреза развиты сравнительно узкие (до 1-1,5 м) ледяные жилы, расстояние между которыми составляет 4-6 м. В нижней части жилы более крупные - шириной до 2-3,5 м, а расстояние между ними - 10-15 м ^[4].

В средней части Сибирской платформы основные площади развития синкриогенных песков сосредоточены в центральной Якутии , в долинах крупных рек - Лены, Вилюя, Алдана, Амги. Особенно широко они распространены в разрезах средних террас (бестяхская, тюнгюлюнская, абалахская, маганская), где представлены кварцево-полевошпатовыми, горизонтально- и косослоистыми, преимущественно слабольдистыми разностями. Пески в нижних горизонтах более грубые - в гранулометрическом составе преобладают фракции более 0,1 мм, средний диаметр частиц составляет 0,25 мм. Вверх по разрезу они становятся более тонкими - преобладают фракции менее 0,1 мм, средний диаметр частиц равен 0,08 мм ^[15].

Мощность аллювия средних террас изменяется от 10 до 25 м. В песчаных разрезах этих террас М.С. Иванов и Г.Ф. Гравис обнаружили повторно-жильные и пластовые льды (рис.1). Ширина жил поверху составляет 2,5-3 м, вертикальная протяженность 14-18 м, а пластовые залежи льда имеют толщину 0,5-4 м и протяженность 5-200 м. По данным бурения, часть ледяных жил до глубины 4-6 м замещена песчаными псевдоморфозами.

Рис.1. Подземные льды в разрезе Бестяхской террасы р.Лены. По Г.Ф.Гравису и М.С.Иванову ^[6]:

1 - песок пылеватый, эоловый; 2-3 - песок мелко- и среднезернистый, аллювиальный горизонтально-слоистый (2) и косослоистый (3); 4 - песчаные жилы; 5 - лед

У мерзлых аллювиальных песков Центральной Якутии суммарная влажность составляет 17-33 % (коэффициент изменчивости 8-20%), плотность грунта - от 1,77 до 2,06 г/см³ (коэффициент изменчивости 3-7%), плотность скелета - от 1,33 до 1,81 г/см³, коэффициент пористости - от 0,53 до 1,16 (коэффициент изменчивости 3-13%). Пылеватые пески при оттаивании дают существенную осадку и нередко переходят в плывунное состояние. У таких песков на II-ой террасе р.Лены средние значения относительной осадки изменяются от 0,04 до 0,117 ^[15].

И.Н. Вотяков, обработав большой объем данных по свойствам многолетнемерзлых грунтов, развитых на территории г.Якутска, предложил для них наиболее вероятные значения основных показателей плотности и влажности (по существу, нормативные показатели). В таблице 2 приведены эти показатели для мерзлых аллювиальных песков разного состава, из которой следует: чем выше дисперсность песков, тем выше их естественная влажность и коэффициент пористости и ниже плотность грунта и скелета грунта. Для мелкозернистых разностей песков И.Н. Вотяков привел также средние значения относительной осадки при свободном оттаивании и под нагрузками при разных значениях влажности (табл. 3).

Таблица 2

Наиболее вероятные значения показателей плотности и влажности многолетнемерзлых песчаных грунтов Якутска ^[5]

Для тех же аллювиальных песков Якутска были определены некоторые показатели теплофизических свойств. Объемная теплоемкость изменяется от 2,07 до 2,12 кДж/м³•град, коэффициент теплопроводности - от 5,85•10-3 до 6,09•10-3 вт/м•град, коэффициент температуропроводности - от 17,46 до 17,6 м²/с. При этом установлено, что по площади и глубине эти показатели изменяются незначительно - коэффициент изменчивости 0,3-0,7 % ^[15].

Таблица 3

Средние значения относительной осадки оттаивания многолетнемерзлых песков на территории Якутска ^[5]

На территории Якутска проведено детальное изучение засоленности многолетнемерзлых аллювиальных пород поймы, I и II надпойменных террас. Оно показало, что возвышенные участки этих уровней сложены незасоленными песками, а на плоских поверхностях в пылеватых песках и супесях до глубины 3 м содержание солей составляет 0,1-1,26 %, ниже изменяется в пределах 0,1-0,9%. Состав солей - гидрокарбонатный и гидрокарбонатно-сульфатный. В присклоновых частях террас соли имеют гидрокарбонатно-хлоридный состав, и отмечено увеличение засоленности вниз по разрезу: до глубины 3 м она составляет 0,2-0,5 %, а ниже в пылеватых песках возрастает от 0,14 до 1,1 %, в мелких - от 0,24 до 0,74 %. Для мерзлых пород, залегающих в понижениях террас, характерны сульфатно-хлоридный и хлоридно-сульфатный типы засоления. При этом засоление распространяется на глубину до 3-5 м (в отдельных случаях до 15 м), а содержание солей изменяется от 0,2 до 1,6 %, реже до 2,7 % ^[8].

В южной части Сибирской платформы , которая относится к зоне совместного распространения многолетнемерзлых и талых пород, острова мерзлоты приурочены, главным образом, к массивам глинистых пород. Чаще всего они выделяются в долинах рек на затененных или заторфованных участках. Песчаные грунты, и без того развитые здесь ограниченно (в основном только в речных долинах), находятся чаще всего в талом состоянии.

Эпикриогенные пески платформенных территорий