Живя на планете Земля, мы редко задумываемся, что это - ледяная планета. Многолетние льды занимают огромные территории на поверхности и в верхней части земной коры. Льды на Земле – загадочное и не конца познанное явление природы.
Нивальный (ледовый) типлитогенеза проявляется в полярных, приполярных и высокогорных областях, где господствуют отрицательные температуры воздуха. Дело в том, что внешнее энергетическое воздействие на поверхность Земли со стороны Солнца приблизительно в десять тысяч раз мощнее воздействия внутренних источников энергии.
Вблизи полюсов солнечные лучи даже летом как бы скользят вдоль поверхности Земли по касательной, поэтому именно здесь сосредоточены области, где земная поверхность получает меньше всего тепла. Лед – это уникальный минерал, существующий только при отрицательной температуре. Лед имеет очень простой химический состав Н2О, его кристаллическая решетка состоит из анионов кислорода и катионов водорода. Примесь тяжелых изотопов – дейтерия и трития, а также изотопов кислорода -17 и -18 в природных водах и льдах ничтожна. Известно 10 кристаллических модификаций льда и аморфный (некристаллический) лед. На Земле в природных условиях резко преобладает только одна – гексагональная модификация кристаллического льда, условно названная лед-1. При свободном росте образуются кристаллы в виде гексагональных призм, а также пластинчатые, игольчатые, шестилучевые звездчатые кристаллы. Лед может образовываться как при застывании расплава (то есть замерзании воды) – например, лед на реках и озерах зимой, так и при кристаллизации из газовой фазы (сублимации пара – переходе в твердую фазу, минуя жидкую) – например, снежинки и морозные узоры на окнах. Причем эти процессы могут происходить и в подземных условиях и тогда в пустотах мерзлых пород возникают сростки кристаллов, называемого сублимационным. В отличие от него лед, который образуется при замерзании воды, называется гидрогенным (или конжеляционным).
Известно, что растворенные в воде соли при замерзании выталкиваются в пространство между кристаллами льда, создавая солевые пленки. То есть соли содержатся во льду лишь в виде механических примесей. Это не только один из самых низкотемпературных (второй – самородная ртуть в кристаллическом состоянии), но и самый легкий из породообразующих минералов. Вам хорошо известно, что он плавает на поверхности воды, так как плотность его примерно на 10% меньше плотности воды. Поэтому он концентрируется в самых верхних слоях земной коры (подземный лед), на ее поверхности (ледники) или на поверхности водоемов (плавучий лед). Так как лед самый низкотемпературный среди породообразующих минералов, считается, что в процессе становления земли, как планеты при дифференциации составляющего ее вещества, он образуется последним. По мнению некоторых исследователей следует выделять особую ступень в развитии нашей планеты – ледяную, исключающую деятельность организмов и знаменующую собой начало затухания жизни и омертвения Земли. Его крупные скопления в виде ледников на поверхности суши и в виде подземных льдов в верхней части земной коры являются горными породами.
При длительных статических нагрузках и под действием собственной массы лед становится пластичным и приобретает свойство текучести. На поверхности нашей планеты лед начинает «течь», когда его толщина достигает примерно 20 м. Текучестью обладают и скопления подземного льда, находящиеся под действием больших давлений. При температуре от нуля градусов до минус пяти градусов по Цельсию лед становится особенно пластичным и предрасположенным к течению. В этом состоянии у него текучесть в миллион раз выше!!!, чем у большинства плотных горных пород. То есть в таком состоянии лед близок к расплаву, Примерно в таком же состоянии находится сталь, нагретая до температуры красного каления (примерно 1200 градусов Цельсия). С понижением давления и температуры лед приобретает хрупкость.
Криосфера
Впервые понятие криосферы как особой оболочки было введено в 20-30-е годы прошлого столетия академиком В.И. Вернадским и польским ученым А.Б. Добровольским.
«Криос» в переводе с греческого означает «холод, лед». Вам хорошо известно, что вблизи поверхности Земли традиционно выделяется несколько тесно соприкасающихся оболочек – литосфера, гидросфера и атмосфера. Каждая из них содержит или может содержать лед, если частично находится в зоне отрицательных температур. В атмосфере лед присутствует в виде снега и мельчайших распыленных частичек. В пределах гидросферы он образует поверхностный ледяной покров водоемов, который может быть кратковременным (северные части Каспийского и Черного морей), сезонным ((Охотское, Берингово, Чукотское и другие северные моря) и многолетним (паковые льды полярных морей, айсберги). Наземный лед также может быть кратковременным (эпизодическим), сезонным (устойчивый зимний снежный покров) и многолетним (ледники). Ледники могут существовать в высокогорных районах субтропических и даже тропических областей. Существует старинная легенда о том, что на вершине г. Килиманджаро есть таинственный белый камень, который нельзя унести с собой, т.к. стоит только взять его в руки – он очень быстро превращается в жидкость. Вы, конечно, уже догадались, что этот таинственный белый камень – лед.
В литосфере лед сосредоточен в приповерхностной части, имеющей отрицательный тепловой баланс. Подземные льды тоже могут быть кратковременными (возникают при ночных заморозках в почвах), сезонными (в приповерхностном слое ежегодного зимнего промерзания) и многолетними (в толщах вечномерзлых горных пород). Наглядное представление о соотношении и распределении природных льдов на Земле дает этот рисунок.
Согласно подсчетам П.А. Шумского и А.Н. Кренке плавучие льды занимают около 26 млн. кВ. км (около 7% площади океана), ледники – около 16 млн. кВ. км, а многолетние подземные льды – вдвое больше – около 32 млн. кв. км (примерно 1/5 площади суши). Несмотря на большую площадь распространения, объем подземных льдов в земной коре относительно невелик и составляет примерно 0,5 млн. куб. км (около 2% от общего объема льда на Земле).
Толщина многолетних покровов морских льдов в центральной части Арктического бассейна в среднем составляет 3 м, а иногда и больше, т.к. плавучие льды постоянно нагромождаются друг на друга. Ледяные торосы высотой до 10 м в центре Арктики – не редкость, а вблизи побережий их высота может достигать 15-20 м.
Наземные ледники – это, прежде всего, ледники суши. Они образуют огромные покровы, крупнейшие из которых – Антарктический, площадью около 14 млн. кВ. км и толщиной свыше 4 км, Гренландский, площадью 1,8 млн. кв. км и толщиной до 3,5 км. Гораздо меньшую площадь занимают ледниковые покровы арктических островов (Шпицберген, Новая Земля, северная Земля и т.д.). Их общая площадь – «всего» 0,24 млн.кв. км. Еще меньше площадь всех вместе взятых горных ледников, но их значение в жизни людей и природных геологических процессах – огромно.
Зоны абсолютно сплошного распространения подземных льдов не существует, поскольку даже в районах с самыми суровыми климатическими условиями существуют талые участки, которые располагаются под руслами рек, крупными озерами и зонах глубинных разломов, являющихся участками активной циркуляции подземных вод. В зоне островного распространения мерзлые горные породы располагаются в виде небольших «островов» среди «моря» талых пород.
С речными, озерными и морскими льдами человек в практической деятельности соприкасался с самых ранних этапов своего существования. Поверхностные льды чаще мешали (хотя иногда и помогали) его деятельности. Достаточно давно человек столкнулся и с ледниками. Поэтому плавучие льды и ледники изучены достаточно хорошо. Мерзлые горные породы и подземные льды в них начали серьезно изучаться лишь сравнительно недавно. Как это ни странно, «классическая геология» до сих пор практически не занимается изучением подземных льдов как составной части земной коры или литосферы. Тем не менее лед нередко образует мощные горизонтальные пласты (до 40 м) среди других горных пород, а также вертикальные жилы, протяженностью до 50 м и более. Толщи льдистых мерзлых отложений распространены иногда на глубину несколько сотен метров. В суровых климатических условиях в зоне распространения мерзлоты все типы неуплотненных отложений и уплотненные осадочные горные породы промерзают и в них образуются подземные льды. Следовательно, подземный лед – часть осадочных горных пород, сформированных в специфических условиях криолитозоны, т.е. особой зоны осадочного литогенеза. Возникающий при промерзании осадков и осадочных горных пород лед иногда до неузнаваемости меняет их облик, состав и строение. Количество новообразованного минерала – льда при этом может достигать от 50% до 90% объема горной породы! В криолитозоне помимо толщ с подземными льдами существуют огромные скопления чистого льда – горной породы осадочного происхождения, существующей при отрицательных температурах. Это ледники. Ледники и ледовый покров морей представляют собой подвижные образования, которые переносят в себе (или на себе), а затем, после таяния, отлагают каменный, песчаный или пылевато-глинистый материал. Комплекс процессов промерзания и оттаивания называется одними авторами криогенезом, другими – криолитогенезом.
Льды, которые образовались на поверхности суши или в усвловиях водоемов, а затем были захоронены наносами и оказались под землей, называются погребенными. Такие льды могут иметь самое разнообразное происхождение: ледниковое, снежное, морское, речное, озерное и т.д. Ледниковые льды перходят в погребенное состояние у края ледников и ледн иковых покровов при условии, что на их поверхности накопится достаточно большой слой обломков горных пород, предохраняющий их от таяния. В погребенное состояние переходят обычно придонные части ледников, обогащенные обломками горных пород, так называемые слои мореносодержащего льда. Толщина погребенных подземных льдов у края ледникового покрова восточной Антарктиды по данным Н.Ф. Григорьева составляет от 0,5 до 4 м. Они прослеживаются в узкой полосе шириной 50-200 м, вытянутой вдоль края ледника и отсутствуют на большем расстоянии от него.
Нельзя понять процессы возникновения и исчезновения, познать закономерности изменения состава и строения, а также способы образования подземных льдов, если комплексно не изучать проблемы формирования содержащих их осадочных горных пород.
В природных условиях как уже упоминалось, различают кратковременные, сезонные и многолетние льды. Кратковременные образуются в приповерхностных участках (нередко в горах) при резких суточных перепадах температуры и существуют в течение нескольких часов, одних и нескольких суток. Сезонные подземные льды возникают на огромных пространствах при зимнем промерзании при поверхностных грунтов на глубину нескольких метров. Длительность их существования не превышает нескольких месяцев. «Многолетние» или «вечные» льды связаны с постоянно мерзлыми в течение многих лет и тысячелетий горными породами. Подземные льды – неотъемлемая часть толщ мерзлых горных пород, широко распространенных на континентах в полярных, приполярных и даже средних широтах, в районах с суровым климатом, а также в высокогорных областях. На территории Красноярского края такие области занимают обширную площадь. На небольшой глубине от земной поверхности (обычно не превышающей нескольких метров) эти толщи находятся в мерзлом состоянии в течение длительного времени и поэтому их называют многолетнемерзлыми или вечномерзлыми. Коренные жители Крайнего Севера издавна пользовались летом мерзлыми породами как естественными холодильниками, сохраняя мясо убитого зверя и рыбу, Еще в 1640 году ленские воеводы сообщали в Москву, что в районе Якутского острога: «…земля-де, Государь, и среди лета вся не растаивает, и потому здесь… по сказкам торговых и промышленных служивых людей хлебной пашни не чаять». В конце семнадцатого века в г.Якутске была предпринята попытка вырыть колодец в мерзлых грунтах, который был прорыт до глубины 30м, но так и не прошел сквозь мерзлые породы. В начале девятнадцатого века вновь была предпринята попытка вырыть глубокий колодец и получить надежный круглогодичный источник воды в г. Якутске. Глубина его за 10 лет достигла 116,м, но и он так не прошел насквозь всю толщу мерзлых пород и не вскрыл питьевой воды! Это уникальное сооружение вошло в науку под названием «Шергинская шахта». Позднне было установлено, что мощность многолетнемерзлых горных пород в районе г. Якутска достигает 450 м! Глубина залегания толщ многолетнемерзлых пород на равнинах Крайнего Севера близ побережий арктических морей достигает 600 м, но наибольшая глубина их залегания по данным бурения отмечается на плоскогорьях Сибири – до 1500м (скважина в истоках р. Мархи). У южной границы мерзлых толщ мощность их значительно меньше – первые десятки метров.
Возраст. Еще М.В. Ломоносов и В.Н. Татищев упоминают о находках в Сибири погребенных и сохранившихся нетленными туш мамонтов. Позднее стали появляться данные о многочисленных находках не только мамонтов, но шерстистых носорогов. В желудках некоторых из них хорошо сохранились остатки растительной пищи, а мясо было пригодно в пищу собакам. На основании этого был сделан вывод о том, что крупные скопления подземного льда образовались в то время, когда жили эти, давно вымершие, животные. Таким образом, очевидно, что подземные льды, как и наземные льды существуют в течение тысяч, десятков и сотен тысяч, а, возможно, и миллионов лет. Установлено, что средняя продолжительность жизни льда Антарктического ледникового покрова составляет порядка 200 тыс. лет, а, по мнению некоторых ученых, может достигать 500 тыс. лет. Морское оледенение или устойчивый многолетний покров плавучих льдов также существует очень давно. Считается, что в центре Арктического бассейна его возраст составляет первые миллионы, а вокруг Антарктиды – первые десятки миллионов лет!
Таким образом, литосферный лед – это полноценная горная порода, составляющая часть приповерхностной твердой оболочки Земли. Все эти части и составляют криосферу. Наземный и подземный лед можно рассматривать как горную породу, учитывая длительность его существования в геологическом масштабе времени – тысячи, десятки, сотни тысяч и миллионы лет. Кратковременные и сезонные (возникающие зимой и исчезающие летом) льды нельзя считать горной породой – это осадки. Но, как Вы узнаете, даже они оказывают серьезное влияние на процессы осадконакопления в областях с нивальным типом климата.
Седиментогенез в областях с холодным климатом. Криолитогенез, как комплекс процессов формирования осадочных горных пород в криолитозоне может быть также подразделен на стадии гипергенеза, седиментогнеза, диагенеза и катагенеза.
Криогипергенез – разрушение горных пород под действием циклического промерзания-оттаивания. Главную роль играет расклинивающий эффект замерзающей воды, т.е. льда. В результате массивы даже очень плотных пород – песчаников, гранитов, базальтов и др. превращаются сначала в глыбовые, а затем – щебнистые, дресвянистые и песчанистые развалы. Преобладает механическое выветривание, химические и биологические формы выветривания подавлены. Характерная особенность выветривания горных пород в криолитозоне – накопление в разрушающемся слое пылеватых (алевритовых) частиц. Экспериментальные исследования и полевые наблюдения свидетельствуют, что частицы именно этой размерности наиболее соответствуют термодинамическим и физико-химическим условиям выветривания мерзлых толщ. Крупные частицы все более и более дробятся, пока не достигнут величины 0,005-0,05 мм, а более мелкие глинистые – слипаются, образуя устойчивые агрегаты. В конечном итоге на поверхности мерзлых пород (особенно рыхлых) в криолитозоне возникает слой,, состоящий преимущественно из пылеватых частиц, называемый покровными лессовидными суглинками. Они широко развиты на равнинах Севера, где на водоразделах, склонах, речных и морских террасах образуют сплошные плащеобразные покровы мощностью до 5 м. Также своеобразно протекают и другие стадии литогенеза в криолитозоне.
Седиментогенез, как известно, включает перенос и накопление осадочного материала. При сезонном летнем оттаивании мерзлых толщ переувлажненные приповерхностные грунты скользят (съезжают) по льдистой кровле еще не оттаявших грунтов, как по ледяной горке. Как Вы знаете, этот процесс называется солифлюкцией. Но главным агентом переноса является лед, как поверхностный (морской и ледниковый), так и подземный. Главную роль в транспортировке материала играют ледники на суше, айсберги и припайные льды в море. В настоящее время ледники занимают около 10 % поверхности суши. Ледники, переносящие огромное количество каменных обломков и более мелкого материала представляют собой специфическое явление, характерное именно для криолитозоны. Наиболее насыщены обломками горных пород так называемые каменные глетчеры, которые представляют собой либо засыпанные каменными обломками остатки горных ледников, либо мощные (до нескольких десятков метров) потоки каменных обломков, сцементированных льдом. Каменные глетчеры – это движущиеся ледокаменные реки. Аналогично обычным ледникам одни каменные глетчеры разрастаются, наступают, другие – стоят на месте, а третьи – отступают (сокращаются в размерах). Наступление каменных глетчеров выглядит впечатляюще: огромные серые стены камней надвигаются на горные пастбища, озера, иногда – дороги и селения. Признаки движения видны и на поверхности самих каменных глетчеров. Это серповидные валы, возникающие в связи с тем, что их центральная часть движется быстрее, чем края.
В эпохи материковых оледенений роль ледников в переносе обломочного материала была значительно больше, чем сейчас.
Накопление отложений вследствие участия в транспортировке материала различных видов льдов в криолитозоне также происходит весьма своеобразно. Здесь нарушаются все известные для других типов седиментогенеза законы осадконакопления! Во всех учебниках по литологии утверждается, что морские глинистые отложения, накапливающиеся на относительно больших глубинах, вне зоны влияния волнений, отличаются хорошей сортированностью и горизонтальной слоистостью, Академик Н.М. Страхов в капитальном труде по основам теории литогенеза указывал, что в морских бассейнах процессы осадочной дифференциации вещества достигают максимального проявления и, следовательно, здесь в принципе не может быть плохо сортированных осадков. Однако, это ставшее классическим утверждение, абсолютно неприменимо для холодных полярных морей. Здесь на обширных пространствах накапливаются неслоистые, слабосортированные глинистые и песчано-глинистые отложения с включениями крупных и мелких каменных обломков. Исследования А.П. Лисицына наглядно показали, что плавучий лед – мощный фактор разноса крупных каменных обломков. Каждый кубический метр льда в зависимости от его плотности и плотности морской воды может переносить от 1009 до 300 кг обломков горных пород на большие расстояния. Вспомним, что общая площадь плавучих морских льдов в Мировом океане составляет около 26 млн. кВ. км. Масса их достигает астрономической цифры – 5х1013 т. Ак этой цифре нужно еще добавить массу айсбергов – 8х1012 т. Айсберговый лед в наибольшей степени насыщен каменными обломками и вбольшом количестве поставляет их на морское дно имеет значительно большую по сравнению с плавучими морскими льдами площадь распрорстранения. В мае 1961 г. американская полярная экспедиция обнаружила в Северном Ледовитом океане целый ледяной плавучий остров, на котором находились обломки скал, высотой до 15 м и каменные глыбы до 3 м в поперечнике! Таким образом, глыбы, валуны, щебень, галька и гравий попадают на морское дно, вытаивая из плавучих льдов и айсбергов. Из них же на дно поступает и несортированный мелкозем. Они активно разносятся плавучими льдами по акватории таких морей, как Карское, Баренцево, и даже такого «южного» моря, как Белое. Галька и гравий найдены на дне даже в центральной части Северного Ледовитого океана! Поэтому нередко такие ледово-морские отложения принимаются за ледниковые, а скопления подземных льдов в них – за остатки ледников. Но морские глины исуглинки содержат помимо валунов и других каменных обломков раковины морских моллюсков, фораминифер, створки остракод.
При таянии ледников образуются морены, для которых характерно полное отсутствие сортировки или тонкие илы с грубообломочным материалом. С деятельностью ледниковых вод связаны такие образования, как ленточные глины, флювиогляциальные пески.
Дифференциация вещества наблюдается только по периферии областей нивального литогенеза (на суше – водно-ледниковые отложения) и в водных бассейнах (озерные и морские осадки).
Одна из наиболее специфичных черт формирования отложений в криолитозоне – их промерзание и льдовыделение в них. Оба эти процесса называют криогенезом. Он проявлется на различных стадиях седиментогенеза и литогенеза, вследствие чего изменяется общая льдистость отложений, характер ледяных включений, их распределение внутри горной породы и т.д.
Горные породы могут промерзать еще на стадии гипергенеза, т.е. самой начальной стадии формирования осадочных горных пород. Эта стадия называется криогипергенезом.
В дальнейшем промерзание происходит на стадиях переноса и переотложения осадочного материала на склонах, в речных долинах, на поверхности и у края ледников.
Накопление отложений и их промерзание иногда могут происходить практически синхронно. Такой способ промерзания назывпается сингенетическим. Таким образом могут промерзать склоновые, эоловые, прибрежно-морские, дельтовые и речные пойменные отложения. Мерзлые отложения, формирующиеся в результате сингенетического промерзания, характеризуются равномерно высокой льдистостью и преимущественно горизонтальными ледяными прослоями различной мощности.
