III.1. СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ КРИОГЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ЯВЛЕНИЯМИ В СИСТЕМЕ КРИОГЕНЕЗА

Криогенные физико-геологические процессы и явле­ния образуют специфическую группу экзогенных процессов и явлений, образование которых определяется фазовыми превра­щениями влаги в породах, их охлаждением и нагреванием. Проявление криогенных процессов связано с периодичностью или направленностью промерзания (охлаждения) и протаива-вания (нагревания) пород верхней части литосферы с диапазо­ном температур и временными рамками, в которых эти про­цессы происходят, с условиями залегания, составом и свойст­вами подверженных их воздействию пород. Таким образом, эти процессы и явления, с одной стороны, обусловлены и кон­тролируются зональными, секториальными, высотно-отоясными и региональными геокриологическими условиями, с другой — являются одним из основных специфических проявлений крио-генеза верхних слоев литосферы. Наличие и активность про­явления криогенных процессов обусловлены, как правило, со­временными природными условиями, в том числе и геокриоло­гическими: /_Ср, £т и £_м, влажностью (льдистостью) отложений,. их свойствами и др. Направленность и активность их протека­ния меняются в пространстве под влиянием криогенных и кли­матических факторов, а также во времени в связи с динами­кой климата или другими палеогеографическими изменениями. Криогенные процессы обусловливают развитие криогенных явлений (образований) и микрорельефа, которые следует рас­сматривать как геологический результат криогенеза. При этом обычно процессы криогенеза сопровождаются экзогенными про­цессами некриогенной природы (гравитационными, эоловыми,, водными и др.). Поэтому криогенные явления чаще всего — результат действия комплекса процессов. Изменение во време­ни направленности и интенсивности криогенных процессов, а также проявления других, сопутствующих им экзогенных про­цессов предопределяют геологическую длительность развития криогенных явлений и их стадийность. Поэтому для понима­ния особенностей распространения криогенных явлений и форм микрорельефа недостаточно анализа современных условий.

Необходимо учитывать и историю развития региона в плейсто­цене—голоцене. Криогенные явления влияют на состав и строе­ние верхних горизонтов литосферы, находят свое проявление в рельефе (микрорельефе) поверхности земли, распределении растительности и, таким образом, часто обусловливают облик ландшафтов криолитозоны. Ярчайшим примером являются криогенные полигонально-жильные структуры, образующиеся на основе криогенного (морозобойного) трещинообразования. Они проявляются в полигональном микрорельефе и обуслов­ливают многообразие криогенных ландшафтов (полигональ­ных тундр, бугристо-западинного микрорельефа и др.). Эти ландшафты доминируют во многих регионах севера Евразии и Северной Америки не только в пределах современной криот литозоны, но и в областях ее былого распространения в позд­нем плейстоцене (см. 1.3).

На разных стадиях развития криогенных явлений вызвав­шие их процессы имеют неодинаковую активность, они могут прекращаться или сменяться противоположно направленными. Обычно на начальных стадиях криогенные процессы плохо выражены в морфологии поверхности и слабо влияют на крио­генное строение отложений. Наибольшим это влияние на мик­рорельеф и строение мерзлых пород является на зрелых ста­диях. На стадиях деградации проявляются новые криогенные процессы, обычно противоположные :по знаку первичному, сформировавшему соответствующее явление. При этом стадий­ность развития явления обусловлена внешними факторами {изменением суровости и влажности климата, геологиче­скими и другими событиями). Отсюда следуют три важных положения региональной и исторической геокриологии. Во-пер­вых, криогенным явлениям, в том числе и их выражению в рельефе, не всегда сопутствует вызвавший их процесс. Во-вто­рых, по морфологическим (стадиальным) особенностям криоген­ных явлений и криогенного микрорельефа можно судить о на­личии или отсутствии этого процесса, а следовательно, и об определенном диапазоне современных геокриологических усло­вий. В-третьих, по наличию криогенных явлений в синкрио-генных отложениях представляется возможным восстанавли­вать палеогеографические, в особенности палеокриогенные, ус­ловия определенных этапов геологического прошлого. Особое значение это имеет при анализе разрезов синкриогенных отло­жений (IV.2).

Ряд ^процессов и явлений, относимых к криогенным, по су­ществу представляются модификациями экзогенных, проявля­ющихся в условиях распространения мерзлых пород. К ним от­носятся гравитационные склоновые (солифлюкция, курумы), термоабразия и термоэрозия. Ряд таких явлений, например курумы, не имеет одного ведущего процесса, способствующего их развитию на начальных и зрелых стадиях.

Значительная часть криогенных процессов появляется или

74

меняет свою интенсивность под влиянием хозяйственной дея­тельности человека, т. е. носит техногенный характер. Их ново­образование или активизация часто является главным следст­вием нарушения природной обстановки, приводящим к нега­тивному воздействию на сооружения и экологическую обста­новку районов освоения. Вопрос их предотвращения или сни­жения отрицательного воздействия является важнейшим в про­блеме рационального природопользования в условиях криоли-тозоны.

Ш.2. КРИОГЕННОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ (ЗОНАЛЬНЫЕ

И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ)

Криогенное выветривание — это процесс, имеющий повсеместное распространение в субаэральной криолитозоне, а также в зоне с постоянным промерзанием пород. Основной осо­бенностью криогенного выветривания является связь с фазо­выми превращениями воды в породе, которые обусловливают проявление криогидратационного механизма разрушения пер­вичных горных пород и минералов, который подробно рассмот­рен В. Н. Конищевым. В криогенном выветривании преобла­дает физическое разрушение пород, процессы химического вы­ветривания ослаблены, хотя и проявляются повсеместно (Ер­шов, 1990).

По региональным особенностям различается криогенное вы­ветривание массивов скальных пород с жесткими связями (а) и дисперсных отложений различного состава (б), а также вы­ветривание в различных геоморфологических условиях: а) на плоских междуречьях равнин, плоскогорий и плато, сглажен­ных вершинах гор, где отсутствует или ослаблен вынос обра­зующего мелкозема; б) на склонах долин и гор, где разруше­ние сопровождается смещением вниз образующегося обломоч­ного материала и сносом мелкозема; в) на аккумулятивных поверхностях, где выветриванию подвергается накапливающий­ся осадок, превращающийся с участием этого процесса в оса­дочную породу.

Наиболее активно криогенное выветривание происходит в условиях периодического промерзания и оттаивания пород, при которых реализуется криогидратационный механизм. Оно приводит к механическому разрушению пород с кристалличе­скими связями (образованию трещин, дроблению обломков-, образованию мелкозема с размером фракций до крупной пы­ли), а также к агрегации глинистых частиц в тонкодисперсных отложениях. Чем чаще происходят циклы промерзания—оттаи­вания, тем интенсивнее протекает процесс. В разрезе верхней части литосферы частота циклов убывает от поверхности зем­ли вниз. Поэтому в массивах пород можно выделить несколько уровней, где периодически повторяющиеся процессы промерза­ния—оттаивания вызывают наибольший геологический эффект.

75

В приповерхностном слое до глубины 1—5 см циклы промер­зания—оттаивания связаны преимущественно с суточными, а иногда с многодневными переходами температур через 0°С. Эти циклы наиболее характерны для переходных сезонов го­да (весны и осени). Они чаще проявляются в условиях конти­нентального климата, в особенности в горах, где число циклов промерзания—оттаивания в этом слое достигает нескольких де­сятков в год. С этим слоем связано участие в криогенезе сте­белькового льда, который при своем росте поднимает облом­ки камней и промерзшую «корку» тонкодисперсной породы, способствуя ее разрыхлению и созданию комковатой структу­ры. На склонах, в том числе очень пологих, образование и тая­ние стебелькового льда приводят к криогенному криппу (де-серпции), т. е. сползанию, медленному смещению камней или тонкодисперсного минерального материала вниз по уклону по­верхности и аккумуляции их в депрессиях рельефа (и микро­рельефа). На полигональных формах микрорельефа, сложен­ных скелетными отложениями, происходит не только криогенное выпучивание обломков породы (III.3), но и смещение их сте­бельковым льдом к периферии полигонов и концентрация во внутригюлигональных понижениях.

Следующий уровень выветривания соответствует слою се­зонного промерзания—оттаивания. В нем цикличность связа­на с сезонными переходами температур через 0°С. Мощность этого слоя изменяется в диапазоне от 10—20 см до 3—6 м (см. II.5). Специфическими особенностями этого слоя являются об­разование криогенной (и посткриогенной) текстуры, процессы выпучивания каменного материала и концентрация его на по­верхности, периодическое возникновение трещин (усыхания и криогенных), приводящих к формированию мелкобугристого и полигонального микрорельефа. В свою очередь это ведет к не­равномерности проявления выветривания по площади и по глу­бине, а при наличии крупнообломочного материала к его диф­ференцированному выпучиванию. В результате более крупный обломочный материал при участии действия стебелькового льда концентрируется по периферии полигонов различных размеров, образуя структурные полигональные формы — «сортированные полигоны», «каменные кольца» и др.

При наличии мерзлой толщи пород в слое годовых колеба­ний температур процессы криогенного выветривания в целом мало активны и связаны преимущественно с изменением темпе­ратур пород в отрицательном диапазоне.

Криогенное выветривание в массивах скальных пород су­ществует на тех уровнях, где происходят многократные коле­бания нижней границы мерзлых толщ, связанные с периодиче­скими изменениями теплообмена на поверхности. Эти уровни встречаются на разных глубинах от поверхности земли: от пер­вых метров до 150—200 м, реже более. Их конфигурация в массивах в целом повторяет положение подошвы мерзлой тол-

76

щи. Обязательным условием появления в скальных массивах зон криогенного выветривания, называемых «зонами криоген­ной дезинтеграции пород», является наличие изначальной тре­щинной пустотности и обводненности трещин. Зоны криоген­ной дезинтеграции обычно прослеживаются в пределах верти­кальной зоны экзогенной трещиноватости, т. е. до глубин 100— 150 м, а также в геоструктурах с исходной трещиноватостью (диагенетической, тектонической и др.), которая может сохра­няться открытой и доступной для дополнительного криоген­ного расширения до глубин в несколько сотен метров. Особен­но много их в горных районах, входящих в южную геокрио­логическую зону. В многолетнемерзлом состоянии для них ха­рактерны повышенная льдистость и расширенные трещинные криотекстуры, в талом — полная обводненность. Эти особенно­сти создают затруднения при проходке горных выработок.

Криогенное выветривание пород с жесткими кристалличе­скими связями изучено недостаточно. Установлено, что в извер­женных и метаморфических крупнокристаллических породах наблюдается резкое снижение прочности при сохранении первичных текстурных особенностей после оттаивания. Порода в открытых стенках карьеров и штуфы, взятые из горных вы­работок после оттаивания, по прошествии нескольких часов могут рассыпаться на куски и даже на отдельные минеральные зерна. Установлено, что резко уменьшается прочность углей, добываемых в Нерюнгринском разрезе, Чульманской впадины Южной Якутии. Впадина сложена в верхней части терриген-ными угленосными породами верхнего мезозоя и входит в об­ласть с прерывистым распространением мерзлых толщ. В позд­нем кайнозое мерзлые толщи многократно образовывались, испытывали колебания мощности и вновь исчезали. В резуль­тате породы верхней части осадочного чехла подверглись глу­бокому криогенному выветриванию. В итоге в современном своем состоянии уголь при добыче сначала рассыпается на уг­ловатые обломки, которые очень быстро превращаются в пыль. При транспортировке такого угля на открытых платформах и машинами происходит сильное запыление вдоль дорог, губи­тельно воздействующее на природу.

Криогенному выветриванию в массивах подвергаются и дис­персные отложения, в том числе и глинистые. В результате этого процесса они приобретают высокую пылеватость за счет дезинтеграции крупнообломочных и песчаных фракций и агре­гирования глинистых частиц. На выположенных поверхностях междуречий, на равнинах и плато области ММП формируется горизонт так называемых «покровных суглинков», являющихся продуктом выветривания самых различных по составу и про­исхождению отложений. Мощность его варьирует от 1 до 3— 4 м и коррелируется с наибольшими глубинами СТС, харак­терными для голоценового климатического оптимума. В верх­ней части склонов и узких междуречий, откуда происходит

77

вынос мелкозема, мощность покровных суглинков пониженная. Напротив, у подножий склонов, в депрессиях рельефа на меж­дуречьях она максимальна. Здесь у суглинков смешанный де-лювиально-элювиальный генезис.

На высокольдистых отложениях, в том числе и на «ледовом комплексе», покровные суглинки являются продуктом его ча­стичного протаивания сверху и местного переотложения. Так, минеральный материал с вытаивающих межполигональных бло­ков, образующих байджерахи, аккумулируется в понижениях над ледяными жилами и в мелких термокарстовых понижени­ях. Отличительной особенностью рассматриваемых элювиальных образований, на которую указал А. И. Попов, является нали­чие полигонально-блочного микрорельефа и полигонально-жильных структур: на севере в суровых геокриологических ус­ловиях — эпигенетических повторно-жильных льдов, а на юге — псевдоморфоз по этим льдам и изначально-грунтовых жил (см. III.4). Вблизи южной окраины мерзлой зоны и за ее пределами для покровных суглинков характерна посткрио­генная структурность. В многолетнемерзлом состоянии при t_QV около 0°С они имеют льдистость, близкую к полной влагоем-кости и линзовидно-слоистые криотекстуры. При низких t_cv по­род покровные образования высокольдисты и часто имеют «по-ясковые» криотекстуры, характерные для синкриогенных отло­жений северного типа (IV.2). Такое криогенное строение обус­ловлено формированием при сокращении мощности СТС при похолодании климата. Это как бы имитировало осадконакопле-ние на поверхности и переход нижней части СТС в многолет-немерзлое состояние. Криогенное строение образований отра­жает геокриологическую температурную зональность позднего голоцена, т. е. времени послеголоценового оптимума, когда глу­бины сезонного оттаивания пород были максимальными. Очень широкое площадное распространение покровных элювиальных образований, их высокая пылеватость, слабая водоотдача и другие свойства существенно определяют однообразие субстра­та СТС в мерзлой зоне (см. II.6).

Криогенное выветривание происходит и при аккумуляции дисперсных отложений. В результате накапливающиеся поро­ды в разрезе сохраняют особенности, характерные для отложе­ний, длительное время находящихся в СТС и CMC: пылева-стость, криогенную и посткриогенную тестурированыость, сле­ды криогенных явлений, происходящих в этих слоях, полиго­нально-жильные структуры и т. д. Это характерно для перигля-циальных лёссов, формировавшихся в условиях холодного кли­мата криохронов во внеледниковых областях Евразии и Север­ной Америки. Эти особенности обусловлены криогенным вы­ветриванием и сопутствующими ему криогенными процессами в период накопления тонкодисперсного материала, транспорти­руемого как эоловым, так и водным путем.

Криогенное выветривание на склонах гор име-

78

ет большое значение при формировании различных экзогенных склоновых явлений: курумов, каменных глетчеров и др. Отли­чительной особенностью является возможность выноса мелко­зема, образующегося при выветривании крупнообломочных образований. Вынос происходит обычно не повсеместно, а кон­центрируется по полосам, системам полигональных понижений и другим депрессиям рельефа и микрорельефа на склонах или понижениям на поверхности ММП. В результате образуются промытые, лишенные мелкозема грубообломочные образования на склонах, ограничивающие участки, на которых сохраняется и постепенно накапливается мелкозем. Такие участки склонов обычно покрыты растительностью, в то время как на крупно­обломочных без заполнителя отложениях она отсутствует. Су­щественно, что в разрезах крупнообломочных образований на склонах (осыпях, обвалах, курумах и др.) с поверхности за­легают наиболее крупные и угловатые глыбы, слабо поддаю­щиеся выветриванию в силу низкой влажности этой части разреза большую часть времени, когда происходят переходы через 0°С. В нижней части СТС, обычно со значительным со­держанием влаги за счет ее конденсации, происходит более быстрое выветривание обломков, приводящее к их дроблению, округлению их поверхности и уменьшению размеров.

Как особый вид криогенного выветривания может рассмат­риваться нивация, или снежниковая эрозия. Нивация происхо­дит в условиях сурового климата преимущественно на участ­ках образования снежников и других гляциальных явлений (наледей, ледников и др.)- Нивация — это комплексный про­цесс, состоящий прежде всего из интенсивного криогенного вы­ветривания, а также выноса образующегося мелкозема за счет делювиального смыва, оплывания и течения разжиженного грунта, солифлюкции и криппа. Нивация происходит преиму­щественно по периферии снежников при их таянии, а при на­личии талого состояния пород и под ними. Снежники, наледи и ледники оказывают влияние на микроклимат и влажностный режим участков с интенсивной нивацией. Около них темпера­тура на поверхности пород существенно чаще переходит через О °С в течение времени их существования в теплый период го­да. Кроме того, они являются источниками влаги, создающей благоприятные условия как для выветривания скальных пород, так и для удаления образующегося мелкозема из очагов нива-ции. Результатом интенсивного выветривания и выноса образу­ющихся продуктов разрушения являются разнообразные нива­ционные формы рельефа на склонах гор: нивационные ниши и кары, нивальные уступы и террасы, В частности, нивационные процессы могут участвовать в формировании курумов гольцо­вого пояса гор, образуя так называемые нишевые курумы (Ку-румы гольцового пояса гор, 1989).

Исследования В. Ф. Перова показали, что характер и ин­тенсивность нивации неодинаковы в разных природных усло-

79

виях. Оптимальным для проявления нивации является дли­тельное существование снежников при прохладных погодных условиях и ночных переходах через 0°С. Благоприятные ус­ловия для образования снежников существуют в нивально-гля-циальном поясе гор, расположенном выше снеговой линии, а также в субнивальном поясе при наличии активного ветрово­го перераспределения снега, лавинной деятельности, около концов ледников и вокруг наледей. Таким образом, условия проявления нивации часто реализуются в тундровой зоне рав­нин, а в горах — в альпийском или гольцовом, а особенно пол­но — в субнивальном и нивальном поясах гор. Именно в по­следних геологические результаты нивации особенно мас­штабны.

В горах Субарктики с нивацией связывается формирование так называемых нагорных (криопланационных) террас — вы-положенных поверхностей с углами наклона 1—5°, ограничен­ных уступами крутизной 30—40°. Нагорные террасы имеют по­кров из щебнистых супесей и суглинков мощностью от не­скольких десятков сантиметров до 1,5—2 м. Покров обыч­но разбит системой полигонов различных размеров, час­то сортированных, с разнообразными полигонально-жиль­ными структурами (эпигенетическими повторно-жильными льдами, жилами, выполненными грубообломочным материа­лом, и др.). В северных районах на нагорных террасах широ­ко развиты пятна-медальоны, часто вытянутые цепочками, сортированные полосы и другие формы, свидетельствующие о перемещении дисперсного материала в СТС. Уступы нагорных террас сложены крупноглыбовым материалом. Именно под уступами постоянно образуются (или образовы­вались в прошлом) снежники и происходит актив­ная нивация, ведущая к их отступанию. Поверх­ности нагорных террас срезают породы различного генезиса, состава и прочности. Поэтому их происхождение не может быть объяснено геоструктурными или тектоническими причи­нами. Тектонические уступы и другие структурные формы мо­гут создавать только первичные условия для скопления снеж­ников, активизации нивации, приводящей к «пятящейся» де­струкции крутого склона и образования террасовидной полого-наклонной поверхности.

Нагорные террасы характерны для районов с ограниченной новейшей тектонической активностью. Обычно на склонах бы­вает несколько нагорных террас. На соседних горах высоты и количество нагорных террас обычно не коррелируются. В со­временных климатических и геокриологических условиях на­горные террасы в горных районах юга криолитозоны и значи­тельная часть в низкогорье высоких широт являются реликто­выми. Они свидетельствуют о снижении высотного уровня ак­тивных нивационных процессов в криохроны.

80