Бугры пучения – характерные образования в криолитозоне, формирующие специфический криогенный рельеф. Их возникновение обусловлено сегрегационным либо инъекционным льдообразованием в рыхлых отложениях или сочетанием этих процессов. Бугры пучения каждого генетического типа имеют особое строение, форму в плане и разрезе, особенности развития и время существования. Они широко развиты как в северной, так и южной геокриологических зонах.
В ходе проведения комплексных научно-исследовательских работ на Окинском плоскогорье Восточного Саяна в долине р. Сенца впервые обнаружена серия крупных бугров пучения. В настоящее время генезис этих бугров является предметом дискуссии.
Район исследования
Окинское плоскогорье находится в восточной части Восточного Саяна. Оно расположено на высоте 1800–2400 м над уровнем моря и является водосбором Иркута, Оки, Китоя, Урика. Приток р. Оки – Сенца – прорезает Окинское плоскогорье на глубину 800 м (рис. 1). Долина р. Сенца представляет собой классический трог с элементами ледникового рельефа в виде боковых и конечных морен позднеплейстоценового возраста [5].
Рис. 1. Долина р. Сенца (Окинское плоскогорье, Восточный Саян, Республика Бурятия, фото с сайта Google Earth) и бугры пучения в долине
Меандрирующее русло реки и большое количество стариц и озер свидетельствуют о перегруженности долины осадочным материалом. Отложения аллювиального, озерного, гляциального, делювиального и пролювиального генезиса, выполняющие долину реки, представлены суглинками, супесями, песками, галечниками, валунами. Мелкозернистые отложения, формировавшиеся в озерных котловинах и речной долине при низких скоростях течения воды, явились благоприятной средой для активизации процессов пучения поверхности поймы и террасы р. Сенца в период многолетнего промерзания.
Климат в пределах Окинского плоскогорья резко континентальный. Среднегодовая температура воздуха в зависимости от абсолютной высоты изменяется от –5,6 °С (1372 м) до –6,6 °С (2084 м) [3]. Криолитозона имеет сплошное распространение с тенденцией уменьшения в западном и северо-северо-восточном направлениях. Сплошность криолитозоны нарушается сквозными таликами в зонах разломов, которые картируются постояннодействующими источниками подземных вод, и несквозными таликами, связанными с отепляющим влиянием поверхностных водотоков и водоемов.
Мощность многолетнемерзлых пород на междуречных пространствах в среднем равна 170–200 м, а в долинах рек составляет 140–180 м. Среднегодовая температура мерзлых пород изменяется в пределах –3…–8,5 °С [4]. Сезонно протаивающий слой на междуречных пространствах имеет мощность 1,0–1,5 м, достигая 3,5 м на южных склонах.
В основу настоящей статьи положены материалы полевых исследований бугров пучения 2011–2015 гг., которые включали полевые маршрутные исследования, вскрытие, расчистку и детальную документацию разрезов с зарисовками и фотографированием, отбор образцов грунта и подземного льда из ядра бугра пучения. Для организации в центральной части круглогодичных температурных наблюдений была пробурена скважина бугра пучения глубиной 4,8 м, которая оборудована логгерами (одноканальными датчиками марки HOBO UA-001-64) на глубине 0,1; 1; 2; 3 и 4 м. В лабораторных условиях в ЦКП «Геодинамика и геохронология» (г. Иркутск) выполнен анализ химического состава расплавов льда и физическо-механических характеристик грунтов (гранулометрический и микроагрегатный состав) по стандартным методикам. Для определения вариаций стабильных изотопов водорода и кислорода в ледогрунтовом ядре бугра был произведён поинтервальный отбор образцов из вскрытого разреза и из скважины (через 10–20 см). Изотопные определения выполнялись в изотопной лаборатории географического факультета МГУ на масс-спектрометре Delta-V со стандартной опцией газ-бенч. Для измерений использовали международный стандарт среднеокеанической воды V-SMOW (δ18О = 0 ‰, δD = 0 ‰), международный стандарт GISP (δ18О = –24,76 ‰, δD = –189,5 ‰) лабораторные стандарты МАГАТЭ (IAEA 12, δ18О = –12,10 ‰, δD = –85,9 ‰; IAEA 13, δ18О = –33,35 ‰, δD = –257,2 ‰), собственный лабораторный стандарт МГУ – снег ледника Гарабаши (δ18О = –15,60 ‰, δD = –110,0 ‰). Точность определений δ18О составила 0,1 ‰, а δD – 0,6 ‰.
Строение бугра пучения
Один из крупных изученных бугров пучения (Se-14-1) высотой 10,7 м (по наклонной поверхности) с ледогрунтовым ядром находится на левой надпойменной террасе р. Сенца, примыкая к озеру, предположительно термокарстового происхождения. Подробный разрез бугра представлен на рис. 2.
Рис. 2. Фото и зарисовки фрагментов разреза бугра пучения (Se-14-1) в долине р. Сенца
Описание разреза (по наклонной поверхности):
0–0,2 м – почвенно-растительный слой.
0,2–0,6 м – суглинок; однородная буровато-серая толща с редкими ожелезнёнными вертикальными и наклонными прожилками сменяется темно-серым суглинком.
0,6–1,1 м – суглинок темно-серый средний пылеватый, микроструктура – агрегированно-скелетная. Глинистость суглинка 21,2 %.
1,1–2,85 м – суглинок темно-серый тяжелый пылеватый, микроструктура – агрегированно-скелетная. Глинистость суглинка 29,7 %. Мерзлый, неравномерно льдистый. В верхней части шлиры льда имеют толщину до 10 мм; в средней части, на глубине около 2 м – толщина линз и прослоев льда достигает 15 мм. Криотекстура грунта слоистая, чешуйчатая.
2,85–3,25 м – линза льда. Лёд молочно-белого цвета, с редкими включениями кусочков грунта размером 2–3 см.
3,25–3,80 м – суглинок темно-серый тяжелый пылеватый, микроструктура – агрегированно-скелетная. Глинистость суглинка 30,5 %. Мерзлый. В массе грунта выделяются блоки (до 10 мм) и линзы льда (до 5–8 мм). В интервале 3,25–3,60 м криотекстура грунта базально-слоистая.
3,80–4,0 м – супесь темно-серая легкая. Микроструктура – агрегированно-скелетная. Мерзлая. Криотекстура слоисто-чашуйчатая.
4,0–4,65 м – пласт льда. Лед – прозрачный, с многочисленными пузырьками округлой и вытянутой формы и обломками грунта.
4,65–8,10 м – ледогрунт. В массе льда «плавают» блоки грунта – темно-серой супеси. Прослои и линзы льда имеют толщину 5–7 см, прослои грунта – 3–7 см. Видимая льдистость 60–70 %. Криогенная текстура – крупношлировая и местами базальная. При вытаивании ледяных прослоев грунт имеет вид «слоеного пирога».
8,10–10,7 м – суглинок желтовато-серый и голубовато-серый, мерзлый. Криотекстура в основном массивная и тонкошлировая, редкие шлиры толщиной 1–2 мм расположены неравномерно (наклонно и горизонтально).
Химический состав льда
Химический состав расплавов из ледяных линз и пластов в теле бугра пучения – гидрокарбонатный кальциевый с минерализацией 6,5–11,2 мг/дм3, рН = 5,6–6,1 (таблица). Минерализация текстурообразующего льда в нижележащем ледогрунте (желтовато-серых и голубоватых суглинках) гораздо выше – 153 и 128 мг/дм3.
Химический состав подземного льда из бугра пучения на р. Сенца и речных вод
|
Глубина и место отбора пробы, м |
рH |
мг/дм3 Ионный состав: мг-экв/дм3 %-экв. |
Сумма ионов, мг/дм3 |
||||||||||
|
|
K+ |
Na+ |
Mg2+ |
Ca2+ |
Cl– |
|
|
|
|
H4SiO4 |
|||
|
2,1–2,2 (лед) |
6,15 |
0,30 |
0,42 |
0,39 |
0,12 |
0,60 |
1,06 |
< 2,00 |
7,32 |
1,00 |
< 0,44 |
< 2,00 |
11,22 |
|
0,02 |
0,01 |
0,02 |
0,01 |
0,03 |
0,03 |
0,12 |
0,02 |
||||||
|
19,72 |
12,74 |
20,11 |
11,86 |
35,57 |
17,47 |
69,87 |
12,66 |
||||||
|
2,9–3,3 (лед) |
5,65 |
0,10 |
0,15 |
0,21 |
0,12 |
0,60 |
1,06 |
< 2,00 |
4,27 |
< 0,01 |
< 0,44 |
< 2,00 |
6,52 |
|
0,01 |
0,00 |
0,01 |
0,01 |
0,03 |
0,03 |
0,07 |
|||||||
|
9,47 |
6,56 |
15,61 |
17,09 |
51,27 |
30,00 |
70,00 |
|||||||
|
4,1–4,3 (ледогрунт) |
6,75 |
12,50 |
2,35 |
1,57 |
2,68 |
15,43 |
1,06 |
36,62 |
58,58 |
0,05 |
< 0,44 |
22,00 |
152,84 |
|
0,69 |
0,06 |
0,07 |
0,22 |
0,77 |
0,03 |
0,76 |
0,96 |
0,00 |
|||||
|
38,25 |
3,32 |
3,77 |
12,15 |
42,51 |
1,71 |
43,48 |
54,75 |
0,06 |
|||||
|
5,2–5,3 (ледогрунт) |
6,6 |
8,75 |
1,84 |
1,26 |
1,82 |
14,43 |
1,06 |
30,45 |
52,48 |
0,25 |
0,44 |
15,00 |
127,78 |
|
0,49 |
0,05 |
0,05 |
0,15 |
0,72 |
0,03 |
0,63 |
0,86 |
0,01 |
0,01 |
||||
|
33,29 |
3,23 |
3,76 |
10,30 |
49,42 |
1,95 |
41,26 |
55,97 |
0,35 |
0,46 |
||||
|
Термо-карстовое озеро (2,9 м) |
7,25 |
< 0,10 |
1,71 |
1,34 |
3,40 |
30,46 |
1,06 |
17,08 |
93,97 |
0,75 |
< 0,44 |
10,00 |
159,78 |
|
0,04 |
0,06 |
0,28 |
1,52 |
0,03 |
0,36 |
1,54 |
0,02 |
||||||
|
2,30 |
3,06 |
14,72 |
79,92 |
1,54 |
18,31 |
79,30 |
0,84 |
||||||
|
Речная вода (р. Сенца) |
7,65 |
< 0,10 |
0,83 |
1,28 |
1,95 |
17,84 |
1,06 |
5,55 |
63,46 |
< 0,01 |
0,44 |
7,00 |
99,40 |
|
0,02 |
0,06 |
0,16 |
0,89 |
0,03 |
0,12 |
1,04 |
0,01 |
||||||
|
1,88 |
4,94 |
14,20 |
78,98 |
2,52 |
9,69 |
87,20 |
0,60 |
||||||
|
Речная вода (р. Ока) |
7,85 |
< 0,10 |
0,51 |
1,03 |
4,01 |
22,44 |
1,06 |
7,00 |
85,43 |
< 0,01 |
0,44 |
10,00 |
131,93 |
|
0,01 |
0,04 |
0,33 |
1,12 |
0,03 |
0,15 |
1,40 |
0,01 |
||||||
|
0,87 |
2,97 |
21,89 |
74,28 |
1,90 |
9,21 |
88,45 |
0,45 |
||||||
Содержание основных ионов, формирующих геохимический тип подземного льда, Ca2+ и 
с глубиной не испытывает колебаний, составляя от 35 до 50 %-экв от суммы катионов и от 55 до 70 %-экв от суммы анионов соответственно. Увеличение минерализации текстурообразующего льда вниз по разрезу с поверхности бугра до глубины 4 м происходит за счет роста доли сульфатов – до 43 %-экв и аммония – до 38 %-экв, в результате чего химический тип льда становится сульфатно-гидрокарбонатным. Концентрации Na+ и Cl– вниз по разрезу уменьшаются до 1–3 %-экв.
Вода в термокарстовом озере у подножья бугра пучения и в рр. Сенца и Ока имеет гидрокарбонатный кальциевый состав и минерализацию 99–160 мг/дм3.
Изотопный состав льда
В ледогрунтовой залежи, опробованной во вскрытом разрезе бугра пучения, значения δD изменяются от –136,9 до –153,6 ‰, значения δ18О от –18,44 до –20,15 ‰, а dexc составляет от 15,44 до 4,12 ‰. Изотопически более тяжелым является лед нижнего пласта – здесь значения δ18О во всех образцах выше –19 ‰, а δD выше –146 ‰ [2].
В ледогрунтовой залежи, опробованной в скважине в интервале глубины 2,5–4,75 м, диапазон изотопных вариаций несколько уже. В вертикальном профиле вариации стабильных изотопов водорода и кислорода составляют: δD –157,9…–142,7 ‰, δ18О –20,27…–18,61 ‰, а dexc изменяется от 11,78 до 2,58 ‰ (рис. 3). В скважине не зафиксировано столь высоких изотопных значений, как отмечалось в ледяной линзе разреза. Это, возможно, указывает на то, что скважиной вскрыто ледогрунтовое ядро ближе к его периферийной части. Здесь закономерно залегает изотопически более легкий лед.
Режимные геотермические наблюдения в течение года в скважине показали, что наибольшие вариации температуры происходят в интервале 0–2 м. Глубже двух метров в годовом цикле температура горных пород отрицательная. На глубине 4,4 м она изменяется от –0,8 до –1,6 °С.
Дискуссия
Бугры пучения различных размеров хаотично расположены в долине р. Сенца (рис. 1). В основном они приурочены к области распространения суглинистых озерных отложений в зоне подпора, образованного барражом неопределенного генезиса (обвалы, залповые выбросы материала из боковых долин и др.). В голоцене после спуска древнего озера водонасыщенные отложения подверглись прогрессирующему всестороннему промерзанию.
При миграции влаги в сезонноталом или сезонномерзлом слоях происходило сегрегационное льдовыделение, приводившее к пучению рыхлых отложений. Сегрегационное льдовыделение, возможно, сопровождалось дополнительным притоком воды, которая при благоприятных условиях (наличие в грунтовой толще ослабленных литологических контактов, неоднородностей, возросшее артезианское давление и т.д.) внедрялась в рыхлые отложения и при замерзании формировала инъекционный лед. В результате могла образоваться обширная площадь с множеством бугров пучения разного размера либо один гигантский бугор, который в настоящее время, вероятно, разделен на отдельные фрагменты вследствие активного термокарста на надпойменной террасе и термоэрозии берегов р. Сенца.
Приуроченность бугра пучения к озерно-аллювиальным отложениям р. Сенца, местами заболоченным, является свидетельством формирования его ядра в результате не только сегрегационного льдообразования при промерзании водонасыщенных осадков, но и неоднократного внедрения вод подруслового и пойменного водоносных горизонтов, гидравлически связанных с речными водами. Линзы чистого льда мощностью 40 см на глубине 2 м и 65 см на глубине 3 м образовались, видимо, в результате наиболее мощных напорных инъекций воды, что привело к дополнительному росту бугра пучения. Текстурообразующий лед нижележащих суглинков по сравнению со льдом этих линз более минерализован, обогащен 
и 
, что свидетельствует о разных источниках воды, сформировавшей эти льды. Естественными источниками азотосодержащих веществ (в том числе аммонийных солей) в водах служит органическое вещество животного происхождения – прижизненные выделения гидробионтов (бактерий, ракообразных и рыб) и озерные и озерно-болотные отложения, изобилующие органическими осадками. Обогащение воды сульфатами могло произойти за счет атмосферных осадков, насыщенных вулканическими газами в результате активной вулканической деятельности на Окинском плоскогорье 13 тыс. лет назад [1, 6]. Однако вопрос об источнике воды, сформировавшей линзы чистого льда, остается открытым, в основном из-за очень низкой минерализации расплавов льда, которая характерна для атмосферных осадков.
Рис. 3. Литология, температура пород и изотопный состав подземного льда бугра пучения
Незначительные вариации значений δ18О и δD также дают основание предположить интенсивный приток новых порций воды в ходе промерзания и образования бугра пучения, т.е. формирование ледяных пластов происходило в условиях открытой системы с подтоком воды извне. Заметного изотопного фракционирования в процессе промерзания и шлирового льдообразования не происходило. Значения δ18О и δD очень близки к изотопным значениям для современных среднезимних и позднеосенних атмосферных осадков. Они прямо указывают на голоценовый возраст льда.
Заключение
Изученный бугор пучения, один из многих, обнаруженных в пределах долины р. Сенца, представляет собой криогенное образование, вероятно, смешанного сегрегационно-инъекционного генезиса. Об этом свидетельствуют его строение (переслаивание линз и пластов чистого льда и мерзлого неравномерно льдистого грунта со слоистой, чешуйчатой и базально-слоистой криотекстурой) и химический состав расплавов льда в ядре бугра, отражающий неоднократную инъекцию вод.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 16-05-00115.