1.2. Развитие учения о криогенезе литосферы земли

Учение о криогенезе литосферы Земли является син­тетическим научным направлением в геокриологии, рассматри­вающим общие, зональные, высотио-поясные, региональные и

7

геоисторические закономерности проявления процессов крио-генеза и их геологические результаты. По существу, геологи­ческими результатами криогенеза являются криогенные явле­ния и криогенный микрорельеф, подземные льды, породы и осадки, подвергшиеся криогенным изменениям, находящиеся в многолетнемерзлом или талом состоянии в массивах, а также сама криолитозона, включая ее геотермические параметры, раз­нообразные многолетнемерзлые, охлажденные и морозные по­роды, их соотношение по площади и в разрезах, зону гидрато-образования и др.

На первом этапе развития геокриологии основопо­ложники этого научного направления изучали раздельно зо­нальные закономерности распространения «вечной мерзлоты», ее температур и мощности, с одной стороны, и отдельные крио­генные процессы и явления — с другой. Вечная мерзлота рас­сматривалась М. И. Сумгиным как «геофизическое» явление, представляющее собой результат холодного климата и являю­щееся частью температурного поля Земли, где породы имеют отрицательные температуры. Такого же представления сейчас придерживаются многие американские исследователи, выделяю­щие мерзлоту только по температурному признаку. М. И. Сум­гиным (1927) была составлена первая карта распространения «вечной мерзлоты» на территорию СССР, на которой выделя­лись зоны, различающиеся по таким показателям, как распро­странение по площади мерзлых пород, их температуры на глубине 10—15 м и мощности мерзлоты. Позднее им опубли­кованы две схематические карты разделения мерзлоты по признаку ее географического распространения и температуре мерзлых пород (Общее мерзлотоведение, 1940). Карты отра­жали зональную природу «вечной мерзлоты», т. е. возрастание с юга на север занятых ею площадей, увеличение ее мощно­стей, понижение среднегодовых температур пород. На них не находили отражения состав, строение и льдистость пород, криогенные процессы и явления. М. И. Сумгин не отрицал не­обходимости изучения и отображения на картах этих харак­теристик геокриологических условий, но считал пока невоз­можным это сделать из-за скудности сведений.

В 1946 г. В. Ф. Тумель предложил усовершенствованный вариант мерзлотной карты, составленный на основании наблю­дений 3000 пунктов. На карте были показаны изолинии темпе­ратур пород и мощности мерзлоты в определенных градациях. При этом изолинии температур и границы зон с разной мощ­ностью не совпадают полностью между собой. Это свидетель­ствует об учете автором различий в геотермических градиен­тах и других факторов, влияющих на связи между температу­рами и мощностями мерзлых толщ. Помимо мерзлотной зо­нальности влияние высотной поясности нашло отражение при проведении геокриологических границ в горных регионах.

В этот же период С. Г. Пархоменко (1937) создал «Схема-

8

тическую карту регионов вечной мерзлоты и глубокого промер­зания в Евразии». На ней была сделана попытка помимо рас­пространения мерзлоты наметить ее региональные различия на низменностях (плоскогорьях) и в горных областях, показать контуры «поддонной мерзлоты арктических морей», выделить регионы деградации и аградации мерзлоты, наличия подзем­ных льдов. Это была первая попытка учета региональных осо­бенностей «вечной мерзлоты» и ее динамики. Вместе с тем кар­та была лишена конкретных данных о температурах и мощно­стях мерзлоты, а контуры геоморфологических провинций на­мечены крайне приближенно.

Важной чертой исследований на этом этапе явилось изуче­ние механизмов, форм проявления и распространения ряда мерзлотных явлений (бугров пучения, термокарста, наледей, гидролакколитов), а также изучение влияния мерзлоты на подземные воды, изложенные в работах Н. И. Толстихина, А. И. Ефимова, В. М. Пономарева и др.

В 1954 г. В. А. Кудрявцевым была опубликована моногра­фия «Температуры верхних горизонтов вечномерзлой толщи в пределах СССР», положившая начало второму этапу развития общей и региональной геокриологии. Им была созда­на карта температурного районирования области вечной мерз­лоты, базирующаяся на новых принципах. Во-первых, она со­четала региональный, зональный и высотно-поясной подходы в районировании «вечной мерзлоты». Во-вторых, на ней были показаны среднегодовые температуры на поверхности пород (£пп), полученные расчетным способом. В. А. Кудрявцевым бы­ли установлены и использованы функциональные связи между среднегодовыми температурами и амплитудами колебаний тем­ператур воздуха, мощностью и плотностью снега, растительны­ми покровами, с одной стороны, и t_nn — с другой. Им учтены законы изменения природных условий по широте, долготе и вы­соте местности. Расчетные температуры сравнивались с натур­ными температурами пород на глубине нулевых годовых ко­лебаний (/_Ср). Была разработана методика интерполяции t_nn% полученных для пунктов метеостанций, с учетом рельефа мест­ности. По существу впервые было показано наличие двух ти­пов высотной поясности — морского и континентального. Для учета влияния многолетней динамики климата на /_пп данные по среднегодовым температурам рассчитывались как средне­взвешенные за период с 1901 по 1950 г. Изолиния /_Пп=0° рас­сматривалась как геофизическая южная граница мерзлых по­род за первое столетие XX в. В. А. Кудрявцевым были зало­жены основы учета влияния региональных условий на геокрио­логические путем выделения крупных территориальных единиц по триединому принципу: геоструктурному, геоморфологиче­скому и структурно-гидрогеологическому. Он выделял: 1. Плат­формы — равнины, плоскогорья и плато — артезианские бас­сейны платформенного типа; 2. Щиты •— плоскогорья, плато —

^ 9

гидрогеологические массивы; 3. Горно-складчатые области — горные области — гидрогеологические горно-складчатые обла­сти как сочетание гидрогеологических массивов, межгорных артезианских бассейнов и т. д. Впервые был дан анализ влия­ния региональных факторов на распространение мерзлоты и таликов, на мощности мерзлых толщ и их строение.

В 50-х — начале 60-х годов начались активные исследова­ния механизмов криогенных процесов и явлений: морозобойно-го растрескивания (Б. Н. Достовалов), роста повторно-жиль­ных льдов (Б. Н. Достовалов, А. И. Попов), термокарста (В. А. Кудрявцев, С. П. Качурин) и др. В это же время сфор­мировалось криолитологическое направление. Началось иссле­дование криогенного строения эпигенетически промерзших по­род (А. И. Попов, В. А. Кудрявцев, В. Н. Усов, Т. Н. Жестко-ва, В. В. Баулин, Г. И. Дубиков и др.) и сингенетически про­мерзающих отложений (Е. М. Катасонов, А. И. Попов, Н. Н. Романовский, Г. Ф. Гравис и др.). В. А. Кудрявцевым были заложены основы теории развития мерзлых толщ в свя­зи с динамикой климата. Развитие расчетных методов позволи­ло начать анализ влияния параметров теплообмена, состава и свойств пород на мощности мерзлых толщ. В это же время сформулированы современные представления об истории раз­вития мерзлоты в Евразии (И. Я. Баранов, В. В. Баулин, А. А. Шарбатян и др.). Начались исследования физико-хими­ческих преобразований в горных породах при криогенезе (Н. А. Тютюнов и Др.)- При систематизации геокриологиче­ских понятий и терминов впервые было определено понятие «криогенез» (Основные понятия..., 1956) как «совокупность процессов физического, химического и минералогического из­менения и преобразования почвы ш горных пород, коры вывет­ривания, а также гидросферы при отрицательной температу­ре».

Результирующими работами этого этапа можно считать две «Геокриологические карты СССР», составленные И. Я. Ба­рановым в 1956 и 1968 гг. в масштабах 1:10 000 000 и 1:5000 000. В них автор попытался синтезировать и отразить представления о криолитозоне Земли как результате комплек­са сложных и многообразных криогенных процессов, развиваю­щихся во времени на различном геологическом субстрате и со­провождающихся разнообразными криогенными явлениями, на­ходящими отражение в строении мерзлых толщ и криогенном микрорельефе. Впервые на этих картах был в обобщенном ви­де показан состав пород криолитозоны, эпи- и синкриогенные отложения, комплексы криогенных явлений и криогенного (посткриогенного) микрорельефа. Кроме того, на картах бы­ли отражены основные параметры современной криолитозоны: мощности, среднегодовые температуры пород, типичные глу­бины сезонного промерзания и оттаивания как для мерзлой, так и для таловой области. Выделена была криолитозона на арк-

10

тическом шельфе. На Западно-Сибирской низменности на кар­те масштаба 1:5000 000 уже показаны реликтовые (двухслой­ные) мерзлые толщи. И. Я. Барановым (1960, 1965) были рас­смотрены теоретические вопросы строения криолитозоны как комплексного экзогенного явления, свойственного литосфере континента в высоких и умеренных широтах.

Третий этап — этап развития представлений о криоге-незе литосферы. В 60-х годах начали широко проводиться ком­плексные мелкомасштабные мерзлотно-гидрогеологические и инженерно-геологические съемки, охватившие многие районы Западной, Средней и Восточной Сибири. Постановка этих ис­следований и полученные результаты дали качественно новый фактический материал и мощный стимул для развития регио­нальной и общей геокриологии, учения о криогенных процессах и явлениях, криолитологии и гидрогеологии мерзлой зоны ли­тосферы. Данные собирались комплексно для больших террито­рий, что стимулировало их сопряженный анализ, поиски взаи­мосвязи различных составляющих криолитозоны, региональ­ный, зональный и геоисторический подходы к их рассмотрению, практическое (гидрогеологическое, инженерно-геологическое и экологическое) использование получаемых результатов. Ре­зультаты съемочных, научных и методических работ позволи­ли выявить новые закономерности влияния зональных, высотно-поясных и региональных условий на криогенное строение мерз­лых толщ, мощности и строение криолитозоны. Были получены основные представления о криолитозоне крупных регионов, об особенностях процессов криогенеза и их геологических резуль­татах в разных зональных и региональных условиях на плат­формах и плитах — Восточно-Европейской и Западно-Сибир­ской (В. В. Баулин, Е. Б. Белопухова, Г. И. Дубиков, В. Т. Тро­фимов, Н. Г. Оберман и др.), Сибирской (Н. С. Данилова,

A. И. Ефимов, Н. Н. Романовский, К. А. Кондратьева, С. М. Фо- тиев, Н. С. Шевелева, А. Б. Чижов и др.) и в горно-складча- тых областях Урала (Н. Г. Оберман), Сибири и Дальнего Во­ стока (И. А. Некрасов, П. Н. Луговой, Н. Н. Романовский,

B. Е. Афанасенко, К. А. Кондратьева, О. М. Лисицына* О. Н. Толстихин и др.), Памира и Тянь-Шаня (А. П. Горбу­ нов) и т. д. Результаты этих исследований были положены в основу представлений о криогенных процессах и явлениях, включая их физическую сущность, комплекс природных усло­ вий, в которых они могут развиваться, криолитологическое,. палеомерзлотное и инженерно-геокриологическое значение. К их числу относятся исследования: криогенного растрескива­ ния и формирования полигонально-жильных структур» (Н. Н. Романовский, С. Е. Гречищев, R. Berg, T. Bleck и др.), термокарста (Ю. Л. Шур, Г. М. Фельдман и Др.)> инъекцион­ ных бугров пучения (R. Mackay), пучения пород в сезоннота- лом и сезонномерзлом слоях (В. Н. Невечеря, Л. М. Чистоти- нов и др.), солифлюкции (Г. Ф. Гравис, Л. А. Жигарев и др.),

11

курумов (А. И. Тюрин, Н. Н. Романовский, С. М. Говорушко), каменных глетчеров (А. П. Горбунов, С. М. Титков и др.) и т. д. Необходимо отметить обобщающую работу Т. Л. Уошбор-на «Мир холода» (1988), посвященную анализу современных представлений главным образом зарубежных исследователей о криогенных процессах и явлениях, т. е. по существу рассмат­ривающую проблему криогенеза.

В этот же период широко развернулись исследования крио-литогенеза как зонального типа литогенеза. Криолитологиче-ские особенности ряда генетических типов синкриогенных от­ложений были изучены Е. М. Катасоновым, Г. Ф. Грависом, Н. Н. Романовским, Т. Н. Каплиной, В. Н. Конищевым, А. И. Тюриным, Ф. А. Каплянской, В. Ф. Тарноградским и др. Обобщающие работы по криолитогенезу были изданы А. И. По­повым (1967), А. И. Поповым, Г. Э. Розенбаум, Н. В. Тумель (1985), И. Д. Даниловым (1978), В. Н. Конищевым (1981), Ш. Ш. Гасановым (1981), Э. Д. Ершовым (1982). В моногра­фиях этих авторов, несмотря на различие их подходов к проб­леме, изложены основные представления о природе и особен­ностях проявления процесса криогенеза при осадочном породо-образовании.

На третьем этапе был проведен ряд крупных исследований по проблеме образования подземных льдов, их строения, свойств и приуроченности к определенным типам отложений (П. А. Шумский, Б. И. Втюрин, В. И. Соломатин, М. М. Корей-ша, Р. Маккей, X. Френч и др.).

Важную роль в формировании представлений о криогене-зе литосферы сыграли работы по гидрогеологии криолитозоны. Начатые А. В. Львовым, Н. И. Толстихиным, И. Я. Барановым, А. И. Ефимовым, П. Ф. Швецовым, А. И. Калабиным, они бы­ли продолжены в 60—80-х годах О. Н. Толстихиным, Н. Н. Ро­мановским, С. М. Фотиевым, С. Е. Суходольским, Н. П. Аниси-мовой, В. Е. Афанасенко, В. П. Волковой и др. В результате были разработаны важные представления о преобразовании гидрогеологических структур и подземных вод в них криогене-зом, об особенностях формирования и естественной защищенно­сти подземных вод в криогидрогеологических структурах, нале-деобразовании как специфическом проявлении разгрузки под­земных вод в мерзлой зоне.

История формирования криолитозоны являлась (начиная с 50-х годов) предметом исследований многих геокриологов, па­леогеографов, геологов-четвертичников и гляциологов. Выра­ботанные ими современные представления об истории криоге­неза литосферы рассмотрены ниже (1.3).

Картографическим обобщением региональных, зональных и палеогеографических закономерностей формирования криолито­зоны явилось составление под руководством В. А. Кудрявцева «Геокриологической карты СССР» масштаба 1:2 500 000 (Об­щее мерзлотоведение, 1978). Эта карта построена на основе

12

использования результатов мелкомасштабных мерзлотно-гидро-геологических съемок в большинстве регионов криолитозоны, которые рассматриваются как «ключевые участки». Получен­ные закономерности распространены на территории (зоны, ре­гионы) со сходными природными условиями. На карте показа­ны строение и мощности криолитозоны, диапазоны среднегодо­вых температур пород, характерных для определенных ланд­шафтных таксонов, состав пород по формациям и генетиче­ским комплексам с отражением их криогенного строения и льдистости, типы таликов, криогенные процессы и явления с учетом их зональной и региональной природы образования, распространения и эволюции при палеогеографических измене­ниях. Важной работой, обобщающей современные знания по региональной геокриологии, является пятитомная монография «Геокриология CGCP» (1988—1989).

Одновременно с формированием современных представле­ний о криолитозоне развивается направление, рассматриваю­щее условия и результаты образования гидратов природных газов в верхней части литосферы нефтегазоносных структур субарктической части Евразии и Северной Америки, а также арктического шельфа. В СССР это направление начали раз­вивать Н. В. Черский, Ю. Ф. Макагон, В. П. Царев, С. П. Ни­китин, в Канаде — А. Джадж, Д. Хантер и др. Влияние гид­ратов газов на гидрогеологические условия начал изучать Г. Д. Гинсбург. Впервые наличие взаимодействия мерзлых толщ и залежей гидратов газов установлено Н. Н. Романов­ским. Особое значение имели геотермические исследования в криолитозоне В. Т. Балобаева и его сотрудников, позволяющие получить важные сведения о теплопотоках и тепловых свойст­вах пород в массивах.

В результате перечисленных выше геокриологических и дру­гих смежных исследований, направленных на познание воздей­ствия комплекса криогенных процессов на верхнюю часть зем­ной коры на севере Евразии, Северной Америки, на арктиче­ском шельфе, на свободных ото льда участках Антарктиды, в высокогорных регионах умеренных и низких широт, начала формироваться единая концепция криогенеза литосферы. Дли ее дальнейшей разработки и реализации результатов в прак­тике народнохозяйственного освоения и охраны природы тер­ритории криолитозоны в настоящее время в Российской Акаде­мии наук создан Совет по проблеме «Криогенез литосферы и проблемы освоения Крайнего Севера».