Лекция 4. Криолитогенез (процессы литогенеза при отрицательных температурах).

Криолитология - часть или раздел мерзлотоведения, изучающий мерзлотные явления в земной коре, т. е. геологические процессы и их литологический и геоморфологический эффект, в связи с промерзанием и протаиванием горных пород. Объект криолитологии - мерзлые горные породы, подземный лед, обусловленные мерзлотными явлениями в земной коре.

Главными особенностями зоны криолитогенеза, в отличие от зон другого типа литогенеза, являются следующие.

1. Преобладание низких положительных и отрицательных температур и поэтому относительно высокое увлажнение верхних горизонтов земной коры (часто при низких абсолютных значениях влажности воздуха).

2. Преобладание воды в твердой фазе - льда, либо постоянное (длящееся до сотен тысяч лет), либо сезонное. Присутствие мерзлых толщ, подземных льдов - относительно устойчивой термодинамической системы в зонах устойчивого охлаждения Земли.

3. Преобладающее влияние самого мощного фактора механического разрушения горных пород - мерзлотного фактора. Механи­ческие факторы, действующие в аридной и особенно гумидной зонах (инсоляционное и морозное выветривание, действие корней расте­ний и др.), там гораздо менее активны, чем мерзлотный фактор в полярных и высокогорных районах.

4. Резкая подавленность геохимических и биогеохимических процессов.

Лед как минерал. Вода, заключенная в горной породе или со­держащая минеральную взвесь (жидкий, неуплотненный осадок), не представляет собой горной породы или минерала-компонента полиминеральной породы; жидкий, не претерпевший диагенетических изменений (литификации) осадок, не есть еще горная порода. С этой точки зрения вода становится минералом с момента ее кри­сталлизации, т. е. замерзания. Лишь лед выступает как самостоятельная горная порода или как минерал в полиминеральной горной породе.

Таким образом, природные воды в земной коре или на поверх­ности Земли не рассматриваются как порода или минеральные тела до тех пор, пока они не кристаллизуются. Подземные воды, претерпевшие кристаллизацию, или замерзшие поверхностные во­ды, но позднее погребенные осадками, являются минералом или самостоятельной горной породой. К категории горных пород следует причислить осадочные снежные накопления; превращенные в глетчерный или фирновый лед и длительно существующие погребенные, так и не погребенные обычными минеральными отложениями.

В условиях верхних горизонтов земной коры может существовать только лед I, т. е. обыкновенный лед. Все другие модификации льда (или так называемые криофильные минералы) могут существовать только при очень высоких давлениях и в природной обстановке, как правило, не встречаются. Лед, как известно, образование кристаллическое, аморфный лед в природе отсутствует.

Лед кристаллизуется в гексагональной сингонии. Несмотря на относительную слабость водородных связей между молекулами льда, обусловливающую его непрочность, геометрический тип его структуры весьма стабилен.

Прочность пространственной решётки лъда становится тем больше, чем ниже температура, так как при понижении температур все более затрудняется перегруппировка атомов. По мере понижения температуры повышаются упругость и хрупкость льда, но понижается пластичность.

По данным Коха и Вегенера, твердость льда при температурах, близких к 0° С, равна 1.5 (по шкале Мооса), при 15° С она равна 2-3; при 40°С - 4, а при 78,5° С достигает 6, т. е. твердости ортоклаза.

В.И. Вернадский делит природные льды по содержанию солей на три класса: пресные (с минерализацией меньше 1 г/л), соленые (1—50 г/л) и рассольные (более 50 г/л). В условиях земной коры, как правило, приходится иметь дело с льдами пресными.

Типы подземного льда. Подземный лед может встречаться в виде крупных скоплений, представляющих собой мономинеральную породу, но может пронизывать толщу горных пород в виде тонких прослоек и прожилок или в виде мелких рассеянных кристаллов, не видимых невооруженным глазом. В последнем случае лед является компонентом полиминеральной породы.

Лед в горных породах - основной генетический признак мерзлоты независимо от того, образует ли он крупные ледяные тела или рассеян в породе в виде мелких кристаллов. Лед рассматри­вается как подземный во всех тех случаях, когда он входит в толщи многолетней мерзлоты, когда существует сезонно, т. е. только зимой, и тогда, когда сохраняется всего несколько суток или часов в самых приповерхностных горизонтах горных пород.

В мёрзлых толщах подземный лед развит неравномерно. На карте типов подземного льда в России показано, что наиболее широко распространен подземный лед к северу от 60° с.ш. Здесь он представлен наибольшим числом генетических типов. К югу от этой параллели пространственное распространение и число разновидностей подземного льда гораздо более ограничено.
Классификация подземного льда (см. практическую работу).

Следует выделять две существенно различные категории подземного льдообразования:

А. Подземные льды, формирующиеся непосредственно в горной породе.

Б. Подземные льды, первоначально сформировавшиеся на земной или водной поверхности, но позже погребенные осадками.

Наиболее важное значение имеет лед первой категории, который делят на следующие главнейшие генетические типы, имеющие место при формировании как сезонно-, так и многолетнемерзлых толщ горных пород. .
1. Полигонально-жильный лед, образующийся вследствие проникновения поверхностной свободной воды в морозобойные трещины и полости, сопутствующие процессу трещинообразования и создающие крупные, полигональные ледяные системы. В результате многократного растрескивания мерзлых горных пород и диагенеза пород деятельного слоя возникают решетки полигональных ледяных жил - полигонально-жильный лед.

2. Жильный лед, образующийся при замерзании свободной воды содержащейся в трещинах коренных кристаллических или метоморфических горных пород, а также поступающей извне.

3. Интрузивный (или инъекционный) лед, образующийся из свободной воды, локализующейся в отдельных местах главным об­разом грубодисперсных горных пород или на контактах пород разной плотности под влиянием гидростатического или гидродинамического напора - интрузивного процесса. При этом наиболее часто возникают ледяные интрузии типа гидролакколитов в местах выходов источников и при промерзании подземных таликов, а также пластовые подземные наледи.

Сюда же следует относить лед, образованный вследствие замерзания водоносных горизонтов (над- под- и межмерзлотных), заключенных в относительно грубозернистых породах - песках и галечниках на разной, иногда большой глубине. При этом возникают пластовые, линзовидные и неправильной формы ледяные тела, также льдистые пески и ледяные конгломераты.

4. Миграционный (или сегрегационный) лед, образующийся из воды рыхлосвязанной, содержащейся в тонкодисперсных осадочных породах, и выделяющийся при их промерзании и миграции воды к фронту промерзания. Образует слоистые и сетчатые (или решетчатые) криогенные текстуры в породах.

5. Лед-цемент, характерный для горных пород различного механического состава и образующийся вследствие промерзания слабоувлажненных пород или весьма быстрого промерзания пород или осадков при любой влажности. При этом либо не возникает сколько-нибудь выраженных скоплений льда, либо он распределен в породе равномерно.

Подземные льды второй категории, т. е. поверхностные погребенные, разнообразны по происхождению (глетчерный, фирновый, наледный, речной, озёрный, морской) и степени участия в толщах мерзлых пород, но имеют совершенно подчиненное значение в сравнении со льдами первой категории.

Место криолитогенеза в общей системе литогенеза. Когда мы говорим о криолитогенезе, то имеем в виду прежде всего замерзание воды внутри толщ горных пород (конжеляционное льдообразование).

Промерзание, как диагенетический процесс (криодиагенез). При этом конжеляционный лед, являющийся продуктом этого своеобразного диагенеза, представляет собой минеральное новообразование в рыхлой породе или осадке.

Правда, диагенез, как явление физико-химического уравновешивания компонентов свежеотложенного осадка в мерзлой породе, по существу отсутствует вследствие крайне низкой температуры среды, ограничивающей течение химических и биохимических процессов. Но принятое в геологии понятие о диаге­незе включает в себя и чисто физические превращения осадка — уплотнение, обезвоживание и т. д. Это дает право применять его и по отношению к промерзающим породам. Да и само льдообразование в рыхлых породах, которое следует рассматривать как некое уравновешивание литогенной системы в соответствии с термодина­мическими условиями мерзлой зоны литосферы, представляет собой по сути процесс диагенетический.

Мерзлотный диагенез может охватывать любые рыхлые породы и любые осадки и при благоприятных условиях сам является породообразователем - формирует лед как горную породу.

Криодиагенез есть процесс длительно необратимого льдообразо­вания, а также преобразования самого минерального субстрата (уплотнения, обезвоживания и т. д.) как в свежеотложенных осад­ках, так и в ранее литифицированных породах. Лед при этом пред­ставляет собой аутигенный минерал, постоянный, долговременно существующий компонент криогенной горной породы.

Если следовать схеме обычного диагенеза, то в применении к зоне устойчивого охлаждения Земли, он выглядит следующим образом.

1. Уплотнение пород происходит под влиянием промерза­ния главным образом глинистого или иловатого осадка, но отчасти (гораздо менее) и песка. Это так называемое внутриобъемное сжатие.

2. Цементация минеральных частиц льдом.

3. Перекристаллизация происходит только во льду с течением времени под влиянием изменения температуры, а также в значительной степени давления (например, вышележащей толщи).

4. Дифференциальная растворимость при промерзании осадка подавлена: дифференциальное (избирательное) растворение менее устойчивых минералов, например, таких, как гипер­стен, диопсид, актинолит, оливин, в промерзающих породах является ограниченным. Эти минералы, таким образом, могут при­сутствовать в породе, промерзшей на ранней стадии формирования.

5. Метасоматизм, т. е. замещение минералов или их агре­гатов без изменения объема в замерзающих осадках представ­ляется ограниченным, в силу подавленности химических процессов.

6. Аутигенез в обычном понимании по той же причине весь­ма ограничен. Присутствие таких аутигенных минералов как кальцит, доломит, сидерит, хлорит, гипс, ангид­рит, пирит и марказит, указывает на эпигенетический способ образования мерзлой породы, прошедшей до промерзания стадию обычного диагенеза.

Промерзание, как элювиальный процесс. Промерзание разрушающе действует на плотные кристаллические метаморфические горные породы, а многократные (главным образом, сезонные) циклы замерзания - таяния, ведут к изменению дисперсности, к постепенному дроблению не только плотных пород, но и любой рыхлой породы, частицы которой крупнее пылеватой фракции, а также к агрегации частиц глинистых. Способность долговременного систематического промерзания - таяния постепенно выравнивать, усреднять механический состав породы до пылеватой фракции является особенностью мерзлотного процесса, как процесса выветривания.

Следовательно, продуктом криоэлювиального процесса являются некоторые вторичные продукты разрушения пород. Конечный продукт этого процесса - пылеватый мелкозем. Лед в этом случае представляется как временный, активно действующий аутигенный минерал, часто не сохраняющийся в уже сформировавшейся криоэлювиальной породе.

Во всех случаях мерзлотный процесс приводит к возникновению ледяных и льдистых горных пород, а при воздействии на плотные породы и при сезонных сменах в определенных условиях к образованию вторичных продуктов переработки материнского субстрата.

Криогенные горные породы. Криогенные горные породы - это ледяные и льдистые многолетнемерзлые и сезонномерзлые горные породы, а также вторичные продукты криоэлювиального процесса.

В группе криогенных горных пород, выделяют три основных генетически типа - криолиты, криолититы и криоэлювииты.

Криолиты - собственно ледяные, мономинеральные породы, криолититы - льдистые дисперсные полиминеральные горные породы, криоэлювииты - вторичные продукты криогенного выветривания любых пород.

Криолиты, т. е. ледяные породы, в свою очередь, делятся на конжелиты, т. е. конжеляционные льды, и хионолиты, т. е. осадоч­ные снежные льды.

Криолититы, т. е. льдистые дисперсные породы, делятся на льдистые галечники и пески; льдистые глины, суглинки, супеси; льдистые органогенные породы, главным образом, торф.

Криоэлювииты делятся на криогенно-трещиноватый скаль­ный массив, криокластиты, криокластопелиты и криопелиты.