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

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.

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-

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

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-

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-

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.