Криолитозона арктического шельфа Восточной Сибири
(современное состояние и история развития в среднем плейстоцене - голоцене)

Введение.

Актуальность темы. Субмаринная криолитозона (КЛЗ) на шельфах Северного полушария занимает площадь около 5 млн. км². В ее строении выделяются ярусы охлажденных ниже 0^oС и многолетнемерзлых пород. Многолетнемерзлые породы (ММП) в подавляющем большинстве являются реликтовыми. Последние, в отличие от толщ субаэральных ММП, характеризуются в своем развитии ярко выраженной цикличностью. На этапе осушения шельфа они формируются (аградируют), на этапе затопления - деградируют. Их современное распространение, глубина залегания и мощность более существенно, чем параметры субаэральных ММП, зависят от истории развития природной среды.

Будущее топливно-энергетического комплекса России связано с освоением нефтегазовых ресурсов арктических шельфов. Поэтому региональная геокриология находится на пороге становления нового научного направления, связанного с изучением субмаринной КЛЗ, требующем изучения истории развития природной среды и ее роли в формировании современного состояния криолитозоны. Под последним понимаются данные о ее вещественном составе; вертикальном строении; распространении и мощности; глубине залегания и мощности яруса мерзлых пород, их температуре на современном этапе развития КЛЗ.

Современное состояние криолитозоны необходимо знать также для составления прогнозных сценариев глобального потепления климата. В настоящее время оценивается только эмиссия парниковых газов, высвобождающихся при разрушении берегов арктических морей, сложенных ММП. Между тем, при донной абразии в море также поступает законсервированный в мерзлых толщах органический углерод. А наиболее крупной его <емкостью> является зона стабильности гидратов газов (ЗСГГ), залегающая в пределах и ниже яруса ММП. Поэтому оценка эволюции яруса ММП и ЗСГГ приобретает большое практическое значение.

Обусловленность современного состояния КЛЗ по-преимуществу факторами, имевшими развитие в прошлом, определяет необходимость использования ретроспективного (геоисторического) подхода к исследованию. Оно осуществляется с использованием математического моделирования эволюции температурного поля пород, проводимого на основе сценария развития природной среды и геолого-тектонической модели региона. Увязка модельных и натурных данных дает возможность использовать зависимости ММП от природных факторов, полученные при моделировании, для распространения буровых, геотермических и геофизических материалов по площади исследований. Современное компьютерное программное обеспечение позволяет решать уравнение теплопроводности при любых краевых условиях не только в одномерном, но и двухмерном вариантах. Основная проблема, сдерживающая получение представительных модельных данных, обусловлена трудностью составления реалистичного сценария динамики природной среды в связи с ее слабой изученностью в Арктике.

Одним из наименее изученных является шельф Восточной Сибири (морей Лаптевых и западной части Восточно-Сибирского). Первые оценки распространения и мощности яруса ММП этого шельфа сделаны в 60-80-е годы ХХ века на базе исследований в прибрежной части моря и математического моделирования. Полученные результаты - вплоть до диаметрально противоположных - обусловливались крайней недостаточностью опорных данных, различиями в представлениях о колебаниях климата и уровня моря, слабым развитием вычислительной техники.

Основной массив опорных данных настоящего исследования сосредоточен на приморских низменностях, окаймляющих шельф с юга, и Новосибирских островах. Это район, где в мерзлых толщах заключен большой объем палеогеокриологической информации. Здесь сохранились поздне- и среднеплейстоценовые синкриогенные породы, содержащие мощные повторно-жильные льды (ПЖЛ). Периодом, оставившим след и сформировавшим криолитозону Северо-Восточной Сибири в ее современном виде, считается средний плейстоцен - голоцен.

Указанные проблемы определили цель исследования - изучение современного состояния криолитозоны шельфа Восточной Сибири как результата ее развития в среднем плейстоцене - голоцене.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи.

1. Модифицировать методику составления палеогеографического сценария для изучения эволюции и современного состояния КЛЗ и составить сценарий на средний плейстоцен - голоцен для шельфа Восточной Сибири, адаптированный для математического моделирования и учитывающий глобальную цикличность климата, уровня моря и специфику развития природных условий региона.

2. Установить роль геологического строения, глобальных колебаний климата и уровня моря в геокриологическом развитии шельфа Восточной Сибири в среднем плейстоцене-голоцене. Составить реконструкцию позднеплейстоцен-голоценовой трансгрессии моря с учетом изменений рельефа шельфа.

3. Обосновать представления о развитии локального, преимущественно пассивного оледенения в Восточно-Сибирской Арктике.

4. Составить модель современного состояния криолитозоны шельфа Восточной Сибири на основе синтеза результатов компьютерного моделирования ее эволюции в среднем плейстоцене-голоцене и фактических данных.

5. Подразделить арктические шельфы по условиям формирования КЛЗ и установить основные геокриологические особенности шельфа Восточной Сибири.

Научная новизна.

1. Разработан метод составления региональных палеотемпературных сценариев, основанный на преобразовании кривых содержания δ¹⁸О и δ²Н в ледниковых щитах Антарктиды, Гренландии и осадках океанов с использованием региональных палеотемпературных данных. На основе разработанного метода составлен адаптированный для математического моделирования сценарий развития природной среды Восточно-Сибирской Арктики в среднем плейстоцене-голоцене. В сценарии учтены глобальная цикличность климата, колебания уровня моря, а также региональные особенности динамики природной среды.

2. Впервые разработаны представления о геокриологической цикличности на шельфе Восточной Сибири, которая наследует цикличность глобальных колебаний климата и уровня моря, и проявлена в циклических сменах направленности в развитии криолитозоны и криогенного морфолитогенеза. Представления о цикличности криогенного морфолитогенеза и различия в ее выраженности в положительных и отрицательных неотектонических структурах позволили впервые реконструировать ход позднеплейстоцен-голоценовой трансгрессии моря с учетом изменения рельефа шельфа.

3. На основании комплекса признаков выдвинуты представления о существовании локальных, преимущественно пассивных ледников в Восточно-Сибирской Арктике в похолодания среднего плейстоцена - голоцена. В качестве признаков использованы геотермические, геокриологические, геодинамические, геоморфологические, геологические и гидрогеохимические явления, территориально связанные с районом установленных оледенений.

4. Получены принципиально новые представления о современном состоянии реликтовой КЛЗ шельфа Восточной Сибири. Это - криолитозона со сплошным ярусом ММП, распространенном в интервале современных глубин моря от 0 до 50-60 м. В интервале глубин от 50-60 до 80-100 м (бровка шельфа) ярус ММП имеет прерывистое и островное распространение.

5. Произведено подразделение арктических шельфов по географическому положению, позволившему отделить их друг от друга по условиям формирования криолитозоны и ее современному состоянию. Установлено, что особенности КЛЗ шельфа Восточной Сибири определяются криогенными процессами, обусловленными влиянием азиатского континента. В формировании криолитозоны других шельфов в среднем плейстоцене - голоцене существенную роль играло климатическое и гидрологическое влияние океанов - Атлантического или Тихого.

Предметом защиты является разработанная автором концепция эволюции и современного состояния криолитозоны шельфа Восточной Сибири в среднем плейстоцене - голоцене, формировавшейся, начиная с плиоцена в связи с колебаниями климата, уровня моря и тектоническим развитием региона. Концепция включает в себя следующие основные защищаемые положения.

1. Методологической основой изучения современного состояния криолитозоны шельфа Восточной Сибири является ретроспективный (геоисторический) подход к исследованиям, реализуемый на основе синтеза натурных данных и результатов математического моделирования. Необходимый для моделирования сценарий динамики природной среды представляется в виде семейства региональных кривых динамики температуры пород, скоррелированных с ходом глобальных колебаний климата. Сценарий составляется путем преобразования ледниковых или океанских кривых содержания δ¹⁸О и δ²Н с помощью региональных данных, характеризующих динамику температуры воздуха и пород, уровня моря, ландшафтов, развитие криосферных процессов.

2. Глобальная цикличность в колебаниях климата и уровня моря в среднем плейстоцене - голоцене обусловливает проявление геокриологической цикличности в развитии шельфа Восточной Сибири. Она выражается в цикличности аградации и деградации яруса ММП и КЛЗ, в циклических сменах направленности в развитии криогенного морфолитогенеза. Характер проявления цикличности морфолитогенеза был связан с неотектоническими структурами. Этапы формирования сильнольдистых синкриогенных отложений ледового комплекса (ЛК) чередовались в отрицательных структурах с этапами озерно-термокарстового преобразования ЛК на осушенном шельфе, а в положительных - преимущественно с этапами разрушения ЛК термоабразией в ходе трансгрессии моря. Геоструктурный контроль озерно-термокарстового и термоабразионного преобразования ЛК определил ход позднеплейстоцен-голоценовой трансгрессии моря, современное распределение суши и моря, основные закономерности современного распространения и мощности яруса ММП и шельфовой криолитозоны в целом.

3. В криохроны при господстве перигляциальных условий, сопровождавшихся накоплением ЛК (подземное оледенение), существовали локальные, холодные, преимущественно пассивные ледники. Их приуроченность к Новосибирскому архипелагу и возвышенному обрамлению Лено-Анабарского сектора приморских низменностей реконструируется по геотермическим, геокриологическим, геодинамическим, геологическим, геоморфологическим и гидрогеохимическим признакам. Максимум развития локальные ледники имели в конце среднего плейстоцена и зырянское время.

4. Криолитозона шельфа Восточной Сибири состоит в основном из трех ярусов. Ярус ММП имеет сплошное распространение в интервале глубин моря от 0 до 50-60 м, прерывистое и островное - при глубинах от 50-60 до 80-100 м, отвечающих бровке шельфа. Он перекрыт и подстилается ярусами охлажденных ниже 0^oС осадков и пород мощностью 5-80 и 50-100 м соответственно. Мощность яруса ММП составляет от 100 до 700 м. В зоне сплошного распространения яруса ММП существуют сквозные эндогенные сейсмогенные, часто напорно-фильтрационные талики. Одни из сквозных таликов насыщены водами морского состава, другие - опресненными водами, имеющими питание на континенте.

5. Географическое положение арктических шельфов, определявшее секториальные закономерности динамики тепло-влагообмена в плейстоцене - голоцене, обусловливает современное состояние шельфовой КЛЗ и служит основой ее районирования. По сокращению площади современного распространения и мощности КЛЗ и яруса ММП арктические сектора располагаются в следующей последовательности: Северо-Американский (шельф моря Бофорта) → Восточно-Сибирский (шельф морей Лаптевых и Восточно-Сибирского) → Притихоокеанский и Западно-Сибирский (Чукотский и Карский шельфы) → Приатлантический (Баренцевоморский шельф). Современное состояние КЛЗ Восточно-Сибирского сектора обусловливается глубоким промерзанием в перигляциальной обстановке на регрессивном этапе и протаиванием ММП только снизу в силу отрицательной температуры морской воды в течение всего трансгрессивного этапа. В пределах других евразийских секторов климатическое и гидрологическое влияние Северной Атлантики или Тихого океана определяло менее глубокое промерзание пород в криохрон и существование периодов протаивания ММП в термохрон не только снизу, но и сверху.

Практическое значение. Результаты настоящего исследования могут обеспечивать управленческие решения при планировании поисков и разведки полезных ископаемых на шельфе, применяться при составлении прогнозных сценариев изменения климата Арктики и Земли, а также в научных исследованиях. О практическом значении настоящей работы могут свидетельствовать большие средства, вложенные и вкладываемые в геокриологическое изучение шельфа моря Лаптевых министерством науки и технологии Германии и нефтегазовыми корпорациями. Предложенный автором метод составления региональных палеотемпературных сценариев используется на кафедре геокриологии при подготовке магистерских и кандидатских работ и может найти широкое применение при изучении любого малоисследованного района криолитозоны. Материалы диссертации используются при чтении курсов <Основы криогенеза литосферы> и <Криолитозона арктических шельфов> на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ.

Личный вклад автора. Диссертация выполнена на геологическом факультете МГУ. Автор принимал участие в мерзлотно-гидрогеологических и инженерно-геологических съемках севера Якутии, проводившихся кафедрой геокриологии; в обобщениях по геокриологии Северо-Восточной Сибири (Геокриологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000, 1996; <Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток>, 1989; <Основы геокриологии. Региональная и историческая геокриология>, 1996; атлас <Космические методы геоэкологии>, 1998). С 1996 г. по настоящее время участвует в изучении геокриологии шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского в составе исследовательского коллектива по грантам РФФИ NN 97-05-64206; 00-05-64430; 03-05-64351; 06-05-64197а, гранту министерства науки и технологии Германии N 5254003 0G0517A (в соответствии с российско-германской научно-исследовательской программой <Система моря Лаптевых>), а также по гранту NSF USA N OPР-9986626. Основным содержанием исследований автора являются изучение истории развития природной среды и толщ ММП Восточно-Сибирской Арктики, разработка методологии и методики исследований. Результаты исследований получены автором самостоятельно; в тех случаях, когда исследования выполнялись коллективом, автор являлся их идеологом и основным разработчиком. Компьютерное моделирование эволюции КЛЗ и криогенных процессов проводилось аспирантами кафедры геокриологии А.Л.Холодовым, В.Е.Тумским, М.В.Касымской, А.А.Елисеевой по составленным автором палеогеографическим сценариям и геологическим моделям.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных конференциях: геокриологических - в Пущино (1997-2003, 2005), Йеллоунайфе (Канада, 1998), Новосибирске (1998), Цюрихе (Швейцария, 2003), Тюмени (2004; 2006; 2008) и Салехарде (2007), тектонической (Санкт-Петербург, 2001), геофизической (Сан-Франциско, 2002), береговой (Геленджик, 2007), по проблемам геологии Арктики: в Целле (1998), Санкт-Петербурге (1999; 2000; 2006), по инженерной геологии (Москва, РГГРУ, 2007); на конференциях геокриологов России (Москва, МГУ, 2001; 2005), Ломоносовских чтениях (Москва, МГУ, 2007; 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, в том числе в периодических рецензируемых изданиях: отечественных <Криосфера Земли>, <Вестник МГУ, серия геология> - 15 работ, иностранных , , , - 7 работ. Четыре работы являются монографиями, написанными в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Рукопись включает 288 страницы, в том числе текст с 91 рисунками и 18 таблицами - 258 страницы, список литературы из 445 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному консультанту профессору Н.Н.Романовскому, который инициировал эту работу. Его внимание, доброжелательность, ценные советы, критические замечания и многолетняя всесторонняя поддержка способствовали написанию работы. Автор особенно благодарен к.г.-м.н. В.Е.Тумскому - за обсуждение отдельных разделов работы и постоянную разнообразную помощь. Очень ценными были для автора советы и поддержка к.г.-м.н. О.М.Лисицыной, А.Ю.Деревягина, к.г.-м.н. Л.Н.Максимовой, к.г.-м.н. К.А.Кондратьевой, д.г.н. В.Н.Конищева, к.г.-м.н. А.Б.Чижова, д.г.-м.н. И.А.Комарова, к.г.-м.н. В.Н.Зайцева, а также материалы, предоставленные автору академиком В.М.Котляковым, д.ф.-м.н. В.А.Большаковым, к.г.н. Т.С.Клювиткиной, к.г.н. Е.Е.Талденковой. Автор благодарит коллег, работавших вместе с ним по тематике грантов РФФИ: к.ф.-м.н. Г.С.Типенко, А.Л.Холодова, к.г.-м.н.А.А.Елисееву, М.А.Касымскую, А.Б.Белан; сотрудников кафедры геокриологии МГУ и Института полярных исследований им. А.Вегенера в Потсдаме (Германия): профессора Х.-В.Хуббертена, докт. К.Зигерт, докт. А.А.Андреева, докт. Л.Ширрмайстера, В.Шнайдера.