Проблемы изотопной индикации генезиса пластовых залежей Ямала. Часть 2. Харасавэй

Чижова Юлия Николаевна кандидат географических наук старший научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук (ИГЕМ РАН) 109017, Россия, г. Москва, Старомонетный переулок, 35, оф. 102 Chizhova Julia Nikolaevna PhD in Geography Senior Research Fellow at Moscow State University 109017, Russia, g. Moscow, ul. Staromonetnyi Pereulok, 35, of. 102 eacentr@yandex.ru Другие публикации этого автора

Васильчук Юрий Кириллович доктор геолого-минералогических наук профессор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, the department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow oblast', g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-05-00813).

Введение

Пластовые льды, залегающие на разных глубинах в мёрзлых толщах Харасавэйского ГКМ, образуют крупные (объем до 10⁷ м³) скопления подземного льда в виде пластов, линз, лакколитов и штоков.

Пластовая залежь, вскрывающаяся вблизи пос. Харасавэй, была неоднократно весьма детально описана и опробована ^[1-9].

Пластовая залежь в толще второй морской террасы была обследована Ю.К.Васильчуком в 1981 г. В береговом уступе протяженностью около 300 м вскрывается мощная пачка темно-серых оскольчатых суглинков, изредка перекрытая 3-5-метровой песчаной толщей. Высота обнажения варьировала от 10-12 до 20-23 м. Отложения разреза суглинистые, в целом характеризуются очень высокой льдистостью; изредка здесь встречаются линзы и прослои песка мощностью до 0,5-1,0 м. В левой сниженной части обнажения нижние 2-3 м разреза от уреза сложены темно-серыми мелкозернистыми песками, в которых встречаются пластовые ледяные и ледогрунтовые тела. В одном из обнажений вскрыт пласт чистого льда мощностью 1,5 м. В овраге в правой части обнажения вскрыто мощное пластовое тело – вертикальная его мощность более 1,5 м, горизонтальная – 10-15 м.

Слоистые пески вскрываются и в левой, и в правой частях обнажения и “ныряют” под суглинки, причем современные абсолютные отметки фрагментов разреза, сложенных преимущественно суглинками на 2-3, а иногда и на 5 м выше, чем песчаных. Однако в центральной части разреза пески располагаются значительно ниже уреза.

В овраге в правой (южной) части обнажения вскрыто мощное пластовое тело, вертикальная его мощность более 1,5 м, горизонтальная – 10-15 м. Лед пласта в основном чистый, однако в верхней части льда обнаружены прослои песка мощностью от 1-2 до 5-10 м. Примечательно то, что ледяное тело подстилается супесью темно-серой мощностью 0,5 м, причем нижний контакт вскрыт по вертикали на 1 м. Криогенная текстура в супеси мелкоплойчатая за счет тонких шлиров. Ниже залегают светло-серые мелкие пески.

Вполне определенно можно говорить о залегании пластовых льдов в интервале 2-4 м над уровнем моря и их приуроченности к песчаным толщам. В левой (северной) части обнажения в одной из зачисток вскрыт пласт льда, неоднородный по цвету. Пласт выклинивается вглубь обнажения. Этот ледяной пласт имеет форму штока, размеры 1,3 х 1,5 м. В левой верхней четверти лед молочно-белый, в остальной части прозрачный. Лед перекрывается темно-серым тонкозернистым сильно пылеватым песком мощностью 0,1-0,2 м. Выше залегает песок серый. Изучение текстурных особенностей белого и прозрачного льда выявили их существенные отличия. Белый лед насыщен мелкими – около 1 мм в диаметре – пузырьками воздуха, часто дискообразной формы. Кроме того, в нем достаточно много плоскостей сколов – длиной от 6 до 25 см, изломанных, часто пересекающих друг друга. Количество воздушных включений около 5%.

Воздушные включения в прозрачном льду также составляют около 5% объема, но размеры их значительно меньше, и они располагаются по плоскостям во льду площадью около 10 см². И тот, и другой лед ультрапресный. В общепринятой классификации вод ультрапресной считается вода с общей минерализацией менее 200 мг/л.

Ближе к берегу в обнажении вскрывается сильно дислоцированный боковой контакт суглинка и песка.

Геохимические исследования отложений в пределах береговых участков Харасавэйского ГКМ показали, что изменчивость и пестрота в распределении солей в грунтах здесь достигает максимума, особенно в зоне, переходной от моря к суше.

Парагенетическое сочетание пластовых залежей в толще этой террасы с криопэгами, минерализация которых достигает 70 г/л и более, а ионном составе преобладают хлориды натрия является одним из признаков внутригрунтовой природы льда ^[2]. Практически невозможно представить ситуацию, когда в зоне ледниковой экзарации или аккумуляции возможно формирование криопэгов, источником питания которых являются морские воды.

Описания разрезов вскрытых пластовых залежей у пос. Харасавэй

Исследования выходов пластового льда у пос. Харасавэй проведены сотрудниками ВСЕГИНГЕО летом 1978 г. В береговом обнажении Карского моря вскрывался мощный пласт льда высотой около 20 м ^[10]. На одной из площадок тремя скважинами из 13 был вскрыт чистый пресный лед на глубинах от 4 до 8 м. Ледяное тело залегало в интервале от 5 до 11 м, имело грибообразную форму с центральным вздутием и неровными краями. Мощность его изменялась от 1,5-3 до 5-6 м; длина по простиранию составляла около 80 м, а максимальная ширина достигала 60 м (рис. 1).

В центре линзы был описан прозрачный монолитный лед, который вверх по разрезу сменялся мутновато-белым, пузырчатым, содержавшим газовые включения, количество которых резко возрастало в приконтактной зоне. На контактах с вмещающим грунтом ледяные слои мощностью 1-1,5 м были обогащены грунтовыми частицами. Вмещающие грунты были представлены суглинками, глинами и песками, криогенная текстура в суглинках и глинах неполносетчатая и линзовидная; в песках – массивная. На боковом контакте с ледяным телом криогенная текстура толстошлировая, косослоистая ^[10]. Судя по форме и объему пластовой ледяной залежи здесь был встречен инъекционный лед, образовавшийся в результате внедрения свободной воды снизу или сбоку в результате неравномерного промерзания отложений и наличия обводненного горизонта песков или водоносного горизонта. Форма в виде гриба может указывать и на промерзание несквозного озерного талика. В том случае, когда быстрое промерзание сверху привело к отжатию воды, созданию гидростатического давления, реализованного впоследствии инъекцией воды в вышележащие слои.

В Харасавэе помимо этого выраженного ледяного тела были описаны многочисленные ледяные залежи принципиально другой формы и, как правило, в сочетании с тонкими линзами и прослоями, разделенными грунтовыми горизонтами.

Рис. 1. Геолого-геофизические профили пластовых льдов в районе пос. Харасавэй (по ^[10]): 1 – песок; 2 – суглинок; 3 – глина; 4 – лёд; 5 – влажность грунта; 6 – скважины и температура грунта, ^оС; 7 – литологические границы: а – установленные, б – предполагаемые; 8 – граница слоя сезонного протаивания

Исследования М.А.Великоцкого и Ю.В.Мудрова ^[6] показали, что пластовые льды залегают согласно слоистости горизонтальных или дислоцированных пачек вмещающих отложений, повторяют форму брахиантиклинальных складок и чаще всего приурочены к верхним частям их крыльев или к замкам складок. Важной особенностью залегания пластовых льдов является их частая приуроченность к зоне контакта слоистых песков (супесей) и перекрывающих плитчатых суглинков. Заметим, что эта же особенность сочетания в разрезе песков и суглинков (глин) характерна для пластовых льдов Марре-Сале ^[11]. В данном случае можно говорить о том, что для прибрежных местоположений пластовых льдов Ямала сочетание в разрезе отмеченных выше грунтовых разностей является общей чертой, которая, помимо очевидной общности условий формирования отложений, может быть признаком общего происхождения или условий формирования пластовых льдов.

Видимая мощность пластовых льдов весьма различна и зависит от степени вскрытия и крутизны самого обнажения. Многие пластовые льды состоят из чередования многочисленных прослоев льда и грунта. Если такой пластовый лед вскрывается вдоль простирания, особенно на участке крутого падения крыла складки, то на дневную поверхность могут выходить всего один - два слоя льда, создавая впечатление мощных пластовых тел. В действительности же их толщина может составлять от 5 до 20 см, что было установлено наблюдениями М.А.Великоцкого в течение трех лет за протяженным (более 1 км) обрывом у пос. Харасавэй.

Видимая мощность пластового льда весьма различна – от 0,2-0,6 до 3-5 м. По простиранию пластовые льды прослеживаются на расстояние от 4-10 до 50-150 м. Тонкая слоистость внутри пластов льда ориентирована, как и сами пласты, параллельно слоистости вмещающих пород. Из этого можно сделать вывод, что ледяные пласты первоначально залегали горизонтально, а затем вместе с вмещающими породами были деформированы.

Слоистость пластовых льдов – их характерная особенность. Она представлена прослойками от 0,22-0,5 мм до 3-5 см супесей и песков. Прослойки не выдержаны по простиранию и, как правило, окаймляют плоские линзы льда толщиной от 3-5 до 50 см и длиной от 0,5 до 1,5 м. Было выделено три характерных типа льда.

Первый тип. Чистый, прозрачный (стекловидный) лед с редкими пузырьками воздуха диаметром от 2-5 до 10 мм. Иногда во льду отмечаются замутненные грунтом прослойки и отдельные комочки грунта.

Второй тип. Мутный, непрозрачный лед молочно-белого цвета со множеством включений из мелких пузырьков воздуха. Наблюдаются как сплющенные пузырьки диаметром от 0,3 мм до 1-2 см и толщиной от 0,5 до 1,0 мм, так и овальные размером 1-5 мм в поперечнике. В этом льду также наблюдаются прослойки и отдельные комочки суглинков.

Третий тип. Слоистый лед (ледогрунт), состоящий из чередования тонких прослоев льда, супеси, песка, иногда органики. Ледяные прослойки представлены чистым, прозрачным льдом толщиной от 1-2 мм до 10 см, с неровными расплывчатыми краями и насыщены удлиненными воздушными пузырьками (шириной 1-2 мм и длиной до 10 см), ориентированными поперек слоистости. Прослои органики и минеральных частиц имеют нечеткие, расплывчатые, хлопьевидные очертания. Часто супеси и пески образуют мелкие плоские линзочки.

И.Д.Данилов ^[7] отмечает, что высокая терраса с пластовыми льдами в верхней своей половине сложена в основном волнисто- и горизонтальнослоистыми ленточно-подобными глинами и суглинками, перекрытыми мелкими песками с фауной морских моллюсков (рис. 2).

Пески в горизонтальном направлении фациально замещаются озерно-болотными отложениями, обогащенными органическим веществом, супесями, суглинками, на которых близ дневной поверхности иногда развиты маломощные торфяники.

Нижняя половина разреза – это ледогрунтовый комплекс, состоящий изо льда и тонкозернистого пылеватого песка. Все разновидности пород являются безвалунными. Единичная мелкая галька и гравий содержатся только в слоистых ленточноподобных глинах и суглинках. На поверхности высокого террасового уровня в песчаных раздувах отмечаются многочисленные “банковые” скопления остатков фауны морских моллюсков, состоящие в основном из раковин Serripes groenladicus (Bruguiere). Кроме того, встречаются единичные раковины Neptunea ventricosa (Gmelin), Муа pseudoarenaria Schlesch, Plicifusus kroyeri (Mollier), Buccinum maltzani Pfeffer, Cryptonatica sp. (определения О.М.Петрова).

Рис. 2. Деформации многолетнемёрзлых пород с пластовыми льдами близ пос. Харасавэй. По И.Д.Данилову ^[7]:

1 – ледогрунт, высокольдистый песок; 2 – песок малольдистый горизонтально- и волнистослоистый; 3 – песок малольдистый косослоистый с растительными остатками и раковинами моллюсков; 4 – глины и суглинки малольдистые с горизонтальной и волнистой ленточноподобной слоистостью; 5 – суглинки и супеси, обогащенные органическим веществом, высокольдистые; 6 – обогащенные торфом озерно-болотные отложения и торфяники; 7 – ледяные жилы.

Пески содержат также раковины фораминифер, прослои растительного детрита и аллохтонного торфа. Близ южной окраины пос. Харасавэй, пески слагают почти весь видимый разрез террасы, т.е. фациально замещают ленточно-слоистые суглинки и глины. Следовательно, есть основания говорить о накоплении тех и других в условиях единого морского водоема, но в различных фациальных обстановках. Имеющиеся волнистые неровности кровли льдистых песков согласно облекаются и выполняются вышележащими слоистыми породами. Это, по заключению И.Д.Данилова ^[7], явно не согласуется с предположением о захоронении в слагающих их отложениях остатков древних ледниковых покровов. Льдистые отложения (преимущественно пески) в основании обрывов у пос. Харасавэй представляют собой слоистый ледогрунт, который обладает всеми признаками первичной седиментационной текстуры, т.е. это в различной степени насыщенные льдом в основном песчаные отложения ^[7].

Наблюдения в естественных обнажениях, а также данные бурения и электроразведки в процессе съемочных работ ПНИИИСа на Харасавэйском месторождении показали, что залежи льда прослеживаются, в основном, в отложениях III, II и I морских террас. Реже они вскрываются в морских отложениях под аллювием современной поймы и в разрезах пляжа и морской лайды.

Согласно выводам Г.И.Дубикова кровля льдов залегает на глубинах от 3-4 м до 10-15 м, подошва – на уровне моря или ниже. Мощность льдов достигает 5-10 м, редко более, а протяженность измеряется десятками-сотнями метров.

Изотопный состав кислорода и водорода пластовых льдов

Исследования изотопного состава льда пластовых залежей у пос. Харасавэй, выполненные Л.Н.Крицук, Г.И.Дубиковым и В.Н.Поляковым ^[12], показали неоднородность в распределении значений δ²H и δ¹⁸О в пластовых залежах разных типов (табл. 1). Значения δ¹⁸О в толще первой террасы (–10,6‰) отличаются от изотопных вариаций в пластовых льдах из третьей террасы (δ¹⁸О варьирует от –13,4 до –18,4‰), хотя значения минерализации в них весьма схожи и изменяются в диапазоне 10-90 мг/л. Учитывая датировки в разрезе первой террасы около 9 тыс. лет, можно считать лёд голоценовым. Для этих льдов (см. табл. 1) разница в величинах δ¹⁸О льда на I и III террасе и соответственно, голоценовым и более старшим льдом (возможно, позднеплейстоценовым), в данном конкретном случае не отражает палеоклиматических условий или различий между голоценом и поздним плейстоценом. А связана с разными источниками воды для образования пластовых льдов. Льды на I террасе как более молодые, т.е. образовавшиеся после выхода территории из-под уровня моря и следовательно, позднее льдов III террасы, могли формироваться в условиях лайды из воды, которая являлась смесью морской и атмосферной влаги. Льды III террасы, находясь на высоком гипсометрическом уровне, даже если они вскрываются до глубины 20-30 м от поверхности, образовывались скорее всего в условиях полной изоляции территории от моря и из пресной атмосферной воды (озерная, речная). Можно предположить, что на больших глубинах эти пластовые льды подстилаются льдами, своими изотопными характеристиками близкими ко льду I террасы, т.е. образованными в условиях лайды или первой морской террасы с остаточными морскими озерами, потерявшими связь с морем и опресняемыми атмосферными осадками. Тогда на еще больших глубинах (ниже современного уровня моря) можно предположить существование криопэгов.

С нашей точки зрения на возможность участия морских вод в образовании пластовых льдов Харасавэя указывают геохимические характеристики льда (см. табл.1). Высокие значения δ²H и δ¹⁸О исключают ледниковую природу льда, а низкая минерализация пластов – до 90 мг/л ^[8] исключает захоронение морского льда. Но не только сама величина минерализации исключает захоронение морского льда, но и соотношение основных ионов. Первое, что бросается в глаза – это явное преобладание хлора во всех опробованных типах льда, при этом величины его содержания (в %-экв.) достаточно близки к морскому льду. Второй момент – преобладание натрия над магнием, а магния над кальцием. Это типично морское соотношение ионов. Г.И. Дубиков для морских вод и современных морских осадков приводит следующие соотношения основных ионов в солевом составе, которые должны выполняться и для морских неоплейстоценовых отложений: Cl^->>SO₄^2- >HCO₃^- и Na⁺>>Mg²⁺>Ca^{2+ [8]}. Как видим, для всех пластовых льдов это соотношение сохраняется и, по всей вероятности, указывает на морскую природу воды. Преобладание натрия над магнием как основного морского иона не вызывает сомнений. Преобладание магния над кальцием характерно именно для морской воды, поскольку в континентальных водах, несмотря на высокую растворимость большинства соединений магния, его концентрация ниже концентрации кальция. Единственным, что противоречит морскому происхождению ионов является содержание гидрокарбонат-иона (HCO₃^-). Этот ион является маркером континентальных вод и связан с выветриванием горных пород. Наличие его в пластовых льдах Харасавэя в больших концентрациях, чем в морском льду, скорее всего указывает на поступление HCO₃^- в воду, когда она находилась не на поверхности, а в отложениях или мигрировала по водоносным горизонтам. Остается открытым вопрос, почему же из опресненной морской воды (солоноватой, например), образуется морской лед с общей минерализацией 1800 мг/л и внутригрунтовый лед с минерализацией 90 мг/л, т.е. в 20 раз более пресный. Возможным объяснением этого эффекта может служить разная скорость образования льда, т.к. известно, что минерализация морского льда связана с наличием во льду каналов с соленой водой. Поскольку образующиеся ледяные кристаллы отжимают растворенные соли и сам лед является пресным, но скорость намерзания льда выше, чем скорость вытекания отжатой концентрированной соленой воды по каналам во льду, то эти каналы с соленой водой оказываются закрытыми внутри морского ледяного покрова. Однако, известно, что в многолетнем морском льду (3 года) концентрации значительно падают, поскольку вода из канальцев постепенно покидает лед. Если предположить низкие скорости льдообразования, при которых отжатые концентрированные соленые воды успевают покинуть фронт льдообразования, то лед может быть ультрапресным. Но, здесь же следует предположить, что если происходит захоронение морского льда, то за длительный период его многолетнего пребывания в погребенном состоянии, жидкие соленые воды, закрытые в канальцах, могут постепенно мигрировать, размывать лед и покидать его. Поэтому единственным доводом в пользу того, что лед Харасавэя не является погребенным морским льдом нам кажется возросшие концентрации HCO₃ в пластовом льду по сравнению с морским. Это же является доводом в пользу внутригрунтовой природы пластового льда. Этот вопрос требует дальнейших исследований и является одним из краеугольных камней в изучении генезиса пластовых льдов Ямала.

Таблица 1. Изотопный и химический состав пластовых ледяных залежей у пос.Харасавэй (из ^[8])

В 2008 г. был получен массив данных о распределении величин δ²H и δ¹⁸О в пластовых льдах и мощных шлирах этого обнажения Н.Г.Беловой, В.И.Соломатиным и Ф.А.Романенко ^{[9, 13]}. В обнажении высотой 10 м пластовые льды вскрывались на глубине 3 м от поверхности. Они были перекрыты слоистыми песчано-глинистыми отложениями, по краям ледяного тела пластовые льды замещаются песками.

Значения δ¹⁸O в пластовом льду изменяются от –18,6 до –26,3‰ (составляя в среднем –21,9‰). В линзах льда над ледяным пластом значения δ¹⁸O варьируют от –15,3 до –20,9‰ (рис. 3, табл. 2).

Наблюдается облегчение изотопного состава в центральной части и ближе к подошве пластового льда, лёд изотопически тяжелее в верхней части пласта и в ледяных линзах над ним. Значения δ¹⁸O в шлировых льдах, в сетчатых текстурных льдах в глинах в других частях обнажения варьируют от –13,8 до –21,5‰, они близки к значениям δ¹⁸O в линзах над пластом. Значения дейтериевого эксцесса d_exc выше в пластовом льду и в линзах над ним (где он составляет в среднем 8,4 и 6,0‰), и ниже в шлировых льдах (4,4‰). По заключению Н.Г.Беловой и В.И.Соломатина – этот лёд внутригрунтовый ^[9].

Рис. 3. Распределение величины δ¹⁸O в толще пластовых ледяных залежей и в шлирах из вмещающих отложений в двух разрезах у пос.Харасавэй. По Н.Г.Беловой ^[13]: 1 – места отбора образцов; 2 – значения δ¹⁸O.

Таблица 2. Изотопный состав пластовых и текстурных льдов и природных вод у пос. Харасавэй. По Н.Г.Беловой ^[13]

Наиболее интересным с точки зрения изотопного состава кислорода и водорода льда является общая тенденция утяжеления значений δ¹⁸O в перекрывающих пластовую залежь шлирах и линзах льда (от –13 до –20‰ в линзах и шлирах, и от –20,5 до –26,3‰ в пластовых льдах). Так, например, в разрезе на северном борту обнажения (рис. 4) перекрывающие пластовое тело линзы (δ¹⁸O от –17 до –20.6‰) смяты и располагаются не над пластовым льдом (δ¹⁸O от –22.7 до –26.3‰), а субвертикально, скорее всего, эти дислокации возникли либо во время формирования ледяного тела (тогда пластовая залежь формировалась после линз) либо уже после формирования ледяного тела, в результате оползания по кровле залежи. Также интересны две особенности льдов: 1 – большой диапазон величин δ¹⁸O (и δ²H); 2 – соответствие всех образцов льда, независимо от типа и расположения льда в разрезе, одному линейному тренду на изотопной диаграмме.

Рис. 4. Взаиморасположение пластовой ледяной залежи и ледяных линз и соответствующие им значения δ¹⁸О (из ^[13])

Линейный тренд δ¹⁸O-δ²H. Привлекает особое внимание то, что все полученные значения, невзирая на разные типы льда, и разные места отбора проб, аппроксимируются исключительно линейной функцией с высоким коэффициентом линейной аппроксимации. Если рассматривать отдельно по секциям отбора проб (южный борт, северный борт), то значения δ²H и δ¹⁸О льда разных секций на изотопной диаграмме описываются линейными уравнениями с близкими коэффициентами (рис. 5а). Если же рассматривать полученные значения по типам льда (пластовый лед, шлиры, линзы), то все типы льда описываются линейными уравнениями опять с очень близкими коэффициентами, а линии тренда для разных типов льда практически совпадают (рис. 5б). Обращает на себя внимание, что несмотря на небольшие отличия в коэффициентах и свободных членах в уравнениях линейной аппроксимации, графически все изотопных значения по всем образцам соответствуют одной линии. Эта линия выражается уравнением δ²H = 7,4 δ¹⁸O – 4,77 (R² = 0,99). В дальнейшем мы будем именно ее рассматривать, как характеризующую изотопный состав кислорода и водорода всего льда, исследованного в Харасавэе Н.Г.Беловой ^[13]. Еще одной особенностью линейного тренда (помимо того, что все образцы описываются одним общим трендом) является исключительная линейность с малым разбросом (отклонением от линии) значений отдельных образцов.

Рис. 5. Соотношение δ²H - δ¹⁸O для образцов льда, отобранных в разных секциях термоцирка (а) и тех же образцов, сортированных по типу льда - линзы, шлиры, пластовый лед (б) (по данным из ^[13])

Обычно, когда мы имеем дело с образцами природных льдов, как внутригрунтовых, так и атмосферных (ледниковых), изотопные значения при общем соответствии линейному тренду, всегда отличаются некоторым разбросом. Для внутригрунтового льда (сегрегационного или смешанного типа инъекционный + сегрегационный лед) это связано с тем, что разные скорости формирования льда, проявляющиеся совместно с неоднородностью и многостадийностью льдообразования приводят к разным коэффициентам изотопного фракционирования при образовании льда. Обычно, чем ниже скорость, тем выше коэффициент изотопного фракционирования. Чередование условий быстрого или медленного образования льда приводит к формированию порций льда с разной величиной изотопного сдвига относительно начальной воды. А разные условия, такие как различия в увлажнении разных сезонов, преобладании или отсутствии зимних изотопно легких осадков, могут незначительно менять изотопные характеристики начальной воды. Именно это обеспечивает отклонения значений δ²H и δ¹⁸О от идеальной линейной зависимости. Исключением является скорее всего повторно-жильный лед, поскольку механизм формирования льда и замерзание всей порции воды в морозобойной трещине обеспечивает гомогенизированный изотопный сигнал зимних осадков. Тем более, что при отборе образцов ПЖЛ в одну пробу попадают сразу несколько элементарных жилок (или несколько десятков жилок), обеспечивая еще большее усреднение межгодовых флуктуаций изотопного состава зимних атмосферных осадков. Именно полное замерзание всего объема воды в узкой морозобойной трещине обеспечивает отсутствии изотопного фракционирования при том типе отбора образцов, который существует сейчас. Поэтому как правило, образцы ПЖЛ на изотопной диаграмме образуют линейные тренды. Для ледникового льда разброс значений вокруг линейной функции связан с сохранением снега, выпавшем из разных воздушных масс. В зависимости от происхождения воздушных масс, выпадающие из них осадки характеризуются разной величиной дейтериевого эксцесса. Это различие обеспечивает положение точек на изотопной диаграмме вдоль глобальной линии метеорных вод, но с разбросом вверх и вниз от нее в зависимости от вариативности значений d_exc. Поскольку в ледниковом льду сохраняются практически все выпавшие на леднике осадки, то лед наследует все значения δ²H, δ¹⁸О и d_exc осадков, и следовательно тот разброс вдоль глобальной линии метеорных вод на изотопной диаграмме, который свойственен осадкам. Полученная исключительная линейная зависимость по льдам Харасавэя с R² = 0,99 кажется нам интересной особенностью, которая, возможно, отражает условия образования льда.

Диапазон значений δ¹⁸O и δ²H. Большой диапазон вариаций δ²H и δ¹⁸О на первый взгляд кажется признаком льдообразования в условиях закрытой системы, когда истощение запасов воды в резервуаре и изотопное фракционирование при последовательном образовании льда приводит к выраженному уменьшению величин δ²H и δ¹⁸О от первой порции льда до последней.

Сам по себе наклон линии регрессии равный 7.4 (δ²H = 7,4 δ¹⁸O – 4,77) соответствует замерзанию воды в открытой системе. Открытой системой можно назвать условия, когда из большого объема воды образуется небольшой объем льда. Такая система характерна для морского, озерного и речного льда. Коэффициенты изотопного фракционирования вода-лед составляют α_18O = 1,0029 и α_2H = 1,0212 ^[14], это означает, что величина изотопного сдвига между льдом и водой составляет ԑ = 2.9‰ для δ¹⁸O и ԑ = 21.2‰ для δ²H. Образующийся лед всегда тяжелее той воды, из которой он сформировался. Для льда в открытой системе наклон линии регрессии будет определяться (ред.)

S = ԑ_2H/ԑ_18O = 7.3 (1)

Как видно, он очень близок к установленному для подземных льдов Харасавэя. Можно проследить, будут ли отличаться изотопные характеристики льда, сформированного в условиях закрытой системы, от описанных льдов, например, в отдельной секции термоцирка (см. рис. 4).

В разрезе северного борта были получены значения δ²H и δ¹⁸О перекрывающих линз и самого ледяного тела (см. табл. 2), общий диапазон изменения величин δ²H и δ¹⁸О составил 9.25‰, на изотопной диаграмме выражен линейный тренд (рис. 6). Этот тренд описывается наклоном 7.23 и свободным членом равным –8.17 при высоком коэффициенте достоверности линейной аппроксимации (R² = 0,99). Значения δ²H и δ¹⁸О льда, формирующегося в условиях закрытой системе согласно уравнению Рэлеевского изотопного обеднения, будет следовать за изотопным обеднением воды закрытого резервуара по уравнению:

Для воды: δ_w = (δ₀ + 1000)f^(α–1) – 1000, (2)

где δ_w–значения δ¹⁸О остающихся фракций воды (порций); δ₀ – значения δ¹⁸О начальной воды (источника); f – фракция (порция) воды, перешедшей в лёд, доли ед.; α – коэффициент фракционирования ¹⁸О в системе вода-лёд по ^[14].

Для льда: δ_i = α(δ₀ + 1000)(1 – f)^(α–1) – 1000, (3)

где δ_i–значения δ¹⁸О фракций льда; расчёт выполнен для фракций льда от 0,1 до 0,95 в долях единицы с шагом 0,05.

Расчет показал, что величина наклона должна составить 6.2 (см. рис. 6).

Несоответствие общего диапазона δ²H и δ¹⁸О в расчете по уравнению 2 и для реальных образцов льда явно свидетельствует об отсутствии условий закрытой системы. Конечно, то, что по этому разрезу имеется только 8 значений (точек опробования), из которых только 3 относятся к пластовой залежи, затрудняет изотопную интерпретацию и ставит под сомнение достоверность выводов. Однако, наличие хорошо выраженной линейности для всех полученных значений (и северный, и южный и центральный борт, и все типы льда, см. рис. 5) в какой-то мере позволяет нам считать вывод об открытой системе при формировании пластовой залежи в Харасавэе более вероятным. Об этом же свидетельствует и распределение величин дейтериевого эксцесса. Если выполненный расчет по уравнению 2 воспроизвести в координатах d_exc-δ²H (рис. 6б), то хорошо заметно, что изотопные характеристики реальных образцов не описываются льдообразованием в закрытой системе. Д.Ласеллем было предложено использовать отношение d_exc-δ²H для установления условий закрытой системы. Выраженная обратная пропорциональность распределения величин d_exc относительно δ²H как правило, указывает на замерзание жидкой воды в закрытой системе. Отсутствие зависимости или прямая зависимость отражает атмосферную природу льда ^[15]. Изотопный состав образцов пластового льда и шлиров из работы ^[13] действительно на диаграмме d_exc-δ²H формируют выраженный тренд с обратной пропорциональностью величин d относительно δ²H. Однако, если на эту диаграмму нанести расчетные значения по уравнению 1, то хорошо видно, что расчет льдообразования в закрытой системе не соответствует изотопным вариациям, установленным по образцам льда: все значения по подземному льду формируют собственный тренд в координатах d_exc-δ²H и не соответствуют расчетному (см. рис. 6б).

Рис. 6. Соотношение δ²H-δ¹⁸О (а) и d_exc-δ²H (б) во льду разреза северного борта относительно модельного расчета льдообразования в закрытой системе.

Таким образом, льды скорее всего формировались в условиях открытой системы, т.е. свободного подтока воды из большого резервуара. А то, что значения δ¹⁸О изменяются от –13.8 до –26.3‰ свидетельствует о том, что изотопный состав воды в резервуаре менялся. Ранее мы показали ^[16], что в разрезах пластовых льдов нижнего яруса у станции Марре-Сале на первых этапах формирования пластовых льдов принимали участие опресненные морские воды, которые постепенно все более и более опреснялись атмосферными осадками. Здесь мы наблюдаем такую же картину. Пролонгированный линейный тренд (пунктирная линия на рис. 7) по образцам подземных льдов Харасавэя в область высоких значений δ²H и δ¹⁸О пересекает точку неопресненных вод Баренцева моря (показано стрелкой на рис. 7а) и таким образом, является линией смешения морских и пресных вод. Известно, что воды Баренцева моря являются основным «морским» компонентом в значительно опресненном Карском море. Хотя образцы пластового льда близ станции Марре-Сале характеризуются более высокими значениями δ¹⁸O по сравнению с Харасавэйским льдом, на изотопной диаграмме они полностью принадлежат к одному линейному тренду (рис. 7б).

Рис. 7. Соотношение значений δ²H и δ¹⁸О: а – в пластовых льдах Харасавэя (по данным из ^[13] и ^[8]); б – в пластовом льду близ станции Марре-Сале (по данным из ^[17]).

Из этого можно сделать вывод, что у Марре-Сале лед начал образовываться либо раньше, на стадии, когда в условиях лайды были обширные озера, наполненные смесью морской и пресной воды, либо сами эти озера были настолько обширными, что их опреснение атмосферными осадками проходило медленнее. Это привело к тому, что пластовый внутригрунтовый лед начал формироваться из смеси, где соотношение морская/пресная вода составляло ~9/1 (морская вода Карского моря, которая сама является в значительной степени опресненной до 12-17 г/л), в то время как на Харасавэе эта пропорция другая. Если рассмотреть уравнение баланса для начальной воды, из которой были образованы самые первые линзы льда (δ¹⁸O льда = –13,85‰, см. табл. 2), то можно рассчитать долю морского и пресного компонента. Начальная вода, с использованием равновесных коэффициентов изотопного фракционирования вода-лед ^[14], должна была иметь величину δ¹⁸O = –16.75‰. Это значение, как мы полагаем, сформировано пропорциональным смешением соленого морского компонента со значением δ¹⁸O= –7,8‰ (Карское море, из ^[18]) и пресного атмосферного со значением δ¹⁸O= –26‰. За пресный компонент в данном случае можно принять самое отрицательное значение δ¹⁸O полученное в подземном льду Харасавэя как характерное для зимних осадков позднего плейстоцена. Решая уравнение баланса, находим, что начальная вода являлась на 50% морской водой и на 50% атмосферной. По полученной пропорции эта смесь должна была содержать порядка 6 г/л морских солей (учитывая значение солености воды Карского моря =17 г/л из ^[18]). Таким образом, у Харасавэя образование подземного льда началось при относительно большем опреснении лайдового озера по сравнению с Марре-Сале.

Величины δ²H и δ¹⁸О, приведенные в работе ^[8], на изотопной диаграмме находятся вправо и вниз от этой линии смешения, что может говорить об испарительном фракционировании, затронувшем эти воды, из которых были сформированы льды (см. рис. 7а). Во всяком случае, эти значения остаются очень дискуссионными.

Дискуссия

Несмотря на появление все большего количества свидетельств о внутригрунтовом происхождении пластовых ледяных залежей, возможность захоронения ледникового льда на Ямале все еще активно обсуждается. Мы полагаем, что подземные льды Харасавэя имеют не гляциальный генезис, а внутригрунтовый, хотя численно значения подземных льдов Харасавэя близки к таковым для ледникового льда ближайших архипелагов. Так, например, значения δ¹⁸О ледникового льда керна с купола Академии наук на Северной Земле, как было установлено работами российских гляциологов в конце 1980–х годов, варьируют от –18.2 до –22.3‰ ^[19]. Эти значения в целом близки к изотопным параметрам подземного льда Харасавэя, однако, величины δ²H, полученные по керну АNК–86 ^{[19; 20]} выглядят несколько нелогично, поскольку для большинства образцов льда были получены одинаковые значения δ¹⁸О для некоторых интервалов глубин керна при значительно меняющихся величинах δ²H в этих же образцах. В более поздней работе, посвященной изотопному составу льда керна с купола Академии наук, были получены детальные данные о вариациях значений δ²H от –122.1 до –183.1‰ и δ¹⁸О от –16.6 до –24.6‰ ^[21]. Линия регрессии по этим образцам характеризуется наклоном 7.57 (рис. 8). Несмотря на чрезвычайно близкую величину наклона между ледниковым льдом купола Академии наук и льдом Харасавэя, для ледникового льда все же отмечен разброс значений относительно линейного тренда достигающий около 5‰ по δ²H при одном и том же значении δ¹⁸О тогда как в пластовой залежи Харасавэя изотопные значения распределены прямолинейно вдоль линии регрессии (см. рис. 8). Для соседнего купола Вавилова также на Северной Земле были установлены вариации значений δ¹⁸О от –16.8 до –22.8‰ в ледниковом керне VAV–88 ^[19]. Хотя диапазоны значений δ¹⁸О ледникового льда Северной Земли и подземного льда Харасавэя практически совпадают, мы считаем, что ледниковый лед не участвовал в формировании пластовой залежи. На рис. 8 видно, что в области значений δ¹⁸О от –20 до –17 для образцов ледникового льда отмечаются величины d_exc >10‰, что связано с атмосферной природой льда, а для подземных льдов Харасавэя нет ни одного образца льда с величиной d_exc >10‰. Хотя сами значения δ²H и δ¹⁸О пластовых льдов указывают на атмосферную природу воды, из которой они были образованы. В работе ^[22] на примере общих диапазонов значений δ¹⁸О ледника Шокальского на Новой Земле и пластовых льдов Югорского п-ова предполагается атмосферная природа воды, из которой формировался лед. По исследованиям на мысе Шпиндлера, изотопный состав подземного льда был интерпретирован как внутригрунтовое образование, сформированное замерзанием ледниковых талых вод после фильтрации через грунт. Ледниковый лед на Новой Земле характеризуется интервалами величин δ¹⁸O и δ²H от –15.5 до –17.8 ‰ и от –113.1 до –129.6 ‰, соответственно, для ледника Серп и Молот и от –13.9 до –15.8‰ и от –104 до –116.8‰, соответственно, для Северного ледникового купола ^[23], но имеет свои выраженные особенности, связанные с интенсивным летним таянием и гомогенизаций ^[24]. Поэтому для ледникового льда Новой Земли характерно лишь частичное совпадение интервалов величин δ¹⁸O и δ²H с пластовым льдов Харасавэя в области высоких значений δ¹⁸O. Все остальные ближайшие арктические архипелаги характеризуются еще более высокими величинами δ¹⁸O льда ^[19]. Это связано с тем, что лед на архипелагах накапливается при преобладающем западном переносе воздушных масс и их положение в высоких широтах обуславливает относительно высокие значение δ¹⁸O осадков по сравнению с континентальными районами и незначительную сезонность значений δ¹⁸O. Так, например, современные атмосферные осадки Шпицбергена на станции Ню-Олессун характеризуются средневзвешенными среднемноголетними величинами δ¹⁸O= –11.6‰, при этом средневзвешенные величины δ¹⁸O осадков летнего сезона составляют –11.5‰, а зимнего сезона –11.7‰. Кроме того, надо учитывать, что практически все изученные ледниковые льды архипелагов имеют позднеголоценовый возраст и поэтому их можно использовать скорее для качественного сравнения, но не для прямого сопоставления величин δ²H и δ¹⁸О.

Рис. 8. Изотопные характеристики пластовых льдов Харасавэя (по данным из ^[13]) относительно распределения значений δ²H и δ¹⁸О в ледниковом льду архипелага Северная Земля (по данным из ^[19]).

О малой вероятности гляциального генезиса пластовых льдов Харасавэя свидетельствуют условия и формы залегания ледяных тел в разрезе: наследование изотопных значений вдоль линейного тренда от линз и шлиров льда до самого ледяного тела говорит о некотором едином процессе. Перекрывающие линзы, следовательно, должны иметь ту же природу, что и ледяная залежь. Если это погребенный глетчерный лед, то эти линзы здесь невозможны. Если предположить, что линзы сформировались из талой воды под ледником или с поверхности ледника, то тогда невозможен тот же линейный тренд на изотопной диаграмме, поскольку природа ледникового льда и льда конжеляционного имеет свои изотопные отличия. Поэтому мы предполагаем общую внутригрунтовую природу этих льдов.

Линзы явно образованы из жидкой воды, изотопный состав которой (на начальном этапе δ¹⁸O = –16.75‰) определялся участием морской воды и зимних атмосферных осадков. Такой водоем можно представить как большие разливы на лайде, которые потеряли связь с морем и опресняются атмосферными осадками. И вода должна свободно поступать по песчаному водоносному горизонту к месту промерзания.

Важным обстоятельством, с которым необходимо считаться при генетической интерпретации пластовых залежей, является их встречаемость в толщах разного возраста. В пределах Харасавэйского месторождения они обнаружены и в толще позднеплейстоценовой второй террасы и в толще голоценовой первой террасы. Предполагать, что покровный ледник здесь существовал в голоцене, нет никаких оснований, следовательно, в разрезе первой террасы пластовые залежи не ледникового генезиса, а морфология их не столь уж отличается от более древних пластов. Изотопный состав льда пластовых залежей в толще первой террасы (δ¹⁸О = –10,6‰) отличается от вариаций δ¹⁸О в пластовых льдах из третьей террасы (δ¹⁸О варьирует от –13,4 до –18,4‰). Это может свидетельствовать и о разном возрасте пластов, и о разной природе воды (т.е. более опресненные озерные воды, которые прошли стадию отделения от моря очень давно и стали практически атмосферными), питавшей пласты, что не подтверждает версию о глетчерной природе ни пластов в разрезе первой террасы, ни пластов в толще третьей террасы.

О внутригрунтовой природе пластовых льдов в районе пос. Харасавэй также свидетельствует анализ пыльцы и спор, выполненный д.г.н. А.К.Васильчук по образцам Н.В.Беловой. Основными признаками неглетчерной природы этой залежи являются типично тундровый характер палиноспектров, доминирование пыльцы карликовой березки и злаков, присутствие в значительных количествах спор зеленых мхов и пыльцы верескоцветных ^[25].

И.Д.Данилов ^[7] отмечает, что высокая терраса с пластовыми льдами в верхней своей половине сложена в основном волнисто- и горизонтальнослоистыми ленточно-подобными глинами и суглинками, перекрытыми желтыми мелкозернистыми песками с фауной морских моллюсков. Это дает основания предполагать, что эти отложения в своей истории находились в разной позиции по отношению к уровню моря. Сначала отложения были на близкой высоте, т.е. только что вышли из-под уровня моря, отложения были песчаными (песчаный пляж), затем начало накапливаться суглинистые и глинистые отложения в условиях подтопления и речного сноса. Затем, этот участок опять ушел под уровень моря и поверх суглинистых и глинистых отложений накопился слой песка (опять мелководный пляж) с морской фауной. Затем отложения были подняты относительно уровня моря. Затем в одной части локально происходило накопление озерно-болотных отложений, а в другой части – смятие в складки и деформации песчаных льдистых отложений. Эти дислокации могли быть связаны с тем, что либо под ними, либо в стороне от них происходило внедрение инъекционного льда. Тогда это объясняет смятие этого горизонта. Хотя само инъекционное тело не было описано, мы можем только предполагать один из возможных вариантов.

Рассмотренные же изотопные данные по льдам Харасавэя (опубликованные в работе ^[13]) позволяют предположить, что: а) практически все пластовые льды береговой части Ямала формировались в условиях открытой системы, когда на лайде обособлялись озера, в которых сохранилась часть морской воды и началось интенсивное опреснение атмосферными осадками (поверхностным стоком, сносом материла, накоплением суглинистых и глинистых осадков). При этом песчаные отложения лайды и пляжа являлись водоносными горизонтами, по которым вода свободно циркулировала. На повышенных участках шло промерзание сверху, а сами водоносные горизонты не перемерзали, что обеспечивало открытую систему. Пластовые льды формировались из жидкой воды; б) в более высоких местоположениях, на поверхностях третьей террасы или во внутренних (не береговых) частях Ямала пластовые льды должны образовываться за счет озерной воды, которая в условиях спуска или перемещения озер являлась источником для формирования пластовых ледяных залежей. При этом залежи могли формироваться как в условиях открытой системы (свободный подток по водоносному горизонту), так и в условиях закрытой системы при промерзании несквозного озерного талика.

Самые низкие значения δ¹⁸O, отмеченные в пластовой залежи у Харасавэя (из ^[13], см. табл. 2), возможно, связаны с парагенетическим сочетанием пластового льда со льдом иного типа (возможно даже ПЖЛ). Поскольку, предполагая, что все льды разреза внутригрунтовые, то для льда со значением δ¹⁸O = –26.6 вода, из которой он образовался должна была характеризоваться значением δ¹⁸O = –29.5‰. Представить, что озерная вода имела такие низкие значения δ¹⁸O довольно сложно, гораздо проще предположить, что низкие значения пластового льда (–25.13 и –26.6‰) сами по себе являются атмосферными осадками зимнего сезона, попавшими в морозобойную трещину. Этому выводу не противоречит и тот факт, что величина дейтериевого эксцесса в этих образцах составила 11‰ и 12.6‰, соответственно, что вполне соответствует величинам дейтериевого эксцесса в позднеплейстоценовых ПЖЛ у пос. Сеяха ^[26].

Таким образом, несмотря на объективное преобладание факторов в пользу внутригрунтовой природы пластовых залежей у пос. Харасавэй, многие вопросы остаются нерешенными. К таким вопросам относятся подтверждение версии об участии морской воды на первых этапах формирования пластовых льдов на первой морской террасе. Одного маркера этого процесса – изотопного состава кислорода и водорода, явно не хватает для полного подтверждения смешения морской и пресной воды в источнике (резервуаре), из которого формировался лед. Следующим шагом подобных генетических исследований должен стать поиск дополнительных маркеров, поскольку химический состав подземных льдов остается слишком дискуссионным. Большая вариативность не только засоления и общей минерализации, но и нарушения в соотношении ионов в пластовых льдах являются одной из проблем при палеогеокриологических генетических построениях.

Благодарности

Авторы благодарят коллег и особенно к.г.н. Н.Г.Белову, опубликовавших данные изотопных определений из пластовых льдов близ пос.Харасавэй, послуживших основным материалом для размышлений над проблемами изотопной интрепретрации генезиса вскрытых здесь пластовых льдов.

Выводы

1. Особенностью пластовых льдов у пос. Харасавэй являются большой диапазон величин δ¹⁸O от –18,6 до –26,3‰ (составляя в среднем –21,9‰). В линзах льда над ледяным пластом значения δ¹⁸O варьируют от –15,3 до –20,9‰. Наиболее интересной особенностью является соответствие всех образцов льда, независимо от типа и расположения льда в разрезе, одному линейному тренду δ²H = 7,4 δ¹⁸O – 4,77 в координатах δ²H-δ¹⁸O.
2. Наклон линии регрессии указывает на образование льда в условиях открытой системы (т.е. со свободным подтоком воды из резервуара). При этом вода в резервуаре менялась, на первых этапах, вероятнее всего, это была смесь морской и пресной воды, которая впоследствии все больше опреснялась атмосферными осадками. Об этом говорит соответствие всех образов опробованных типов льдов линии смешения на изотопной диаграмме.
3. Химический состав пластовых льдов и соотношение ионов, указывает на соответствие воды, из которой образовался лед, морскому источнику ионов, и, скорее всего, на внутригрунтовое образование залежей. Хотя все льды являются ультрапресными, можно предположить участие морских вод в образовании залежи.
4. Сочетание в разрезе линз, шлиров, пластов и выраженных дислокаций, а также низких значений δ¹⁸O, полученных для некоторых образцов пластовых залежей, ставит новые вопросы и требует поиска новых подходов к изотопной интрепретации генезиса подземных льдов Ямала.