Первые сведения о крупных пластах подземного льда в арктической тундре Ямальского и Гыданского полуостровов встречаются еще в работе В.П. Кальянова [1934], однако происхождение этого льда им не объясняется. Некоторые сведения о распространении пластовых залежей подземного льда в морских отложениях полуострова Ямал приводятся в отчетах экспедиции Института геологии Арктики за 1953-54 гг. По мнению геологов этой экспедиции, пластовые залежи льда сформировались при промерзании частично оттаявших во время климатического оптимума морских казанцевских отложений.

Специальные мерзлотные исследования на полуострове Ямал, проведенные в течение 1961-63 гг., позволили нам среди разнообразных подземных льдов в четвертичных отложениях выделить ископаемые инъекционные льды, проблема существования и происхождение которых пока еще не получили должного внимания у мерзлотоведов и географов.

Под ископаемыми инъекционными льдами мы понимаем залежи льда, сформировавшиеся в результате внедрения и замерзания воды в период общего промерзания вышедших из- под уровня моря областей и существующие до настоящего времени. В отличие от инъекционных льдов, образующихся при промерзании надмерзлотных таликов, ископаемые инъекционные льды во всех случаях никак не проявляются в современном рельефе (если они не подмываются рекой, озером или морем); в большинстве случаев они залегают в разрезе согласно в виде интрузивных пластов и линз и могут сохраняться на протяжении многих тысячелетий.

Выходы залежей ископаемого льда отмечены во многих пунктах полуострова Ямал (рис. 1). Особенно величественны эти образования в центральной части полуострова в районе озер Ней-то (Мал-то) и в долинах рек Юрибей и Се-Яха (Мутная). В быстро разрушающихся высоких берегах оз. Ней-то ископаемые льды встречаются через 100- 200 м , причем наблюдаются как одиночные линзы и пласты льда, так и группы их. Наблюдавшиеся нами ископаемые льды достигали в поперечнике 100 м , а их видимая мощность составляла 8- 10 м .

В результате таяния вскрытых залежей ископаемого льда в долинах рек, в озерных котловинах и вдоль морского побережья возникают обширные цирки с крутыми стенками, имеющие в поперечнике не менее 150- 200 м . Днища цирков, возвышающиеся над урезом воды на 2- 8 м , заполнены жидкой серой массой, образовавшейся за счет сползания покрывающих и размыва подстилающих лед морских глин. Эта масса грунта, подобно лаве, мощным быстро движущимся потокам вливается в озера и реки. В западной, открытой для большой волны части полуострова наличие пластовых залежей льда в морских отложениях способствует энергичному разрушению морского побережья.

Скопления ископаемого льда залегают на глубине от 5 до 25 м в верхнеплейстоценовых (казанцевских) прибрежно-морских отложениях. Последние представлены фациально-невыдержанными по горизонтали и вертикали глинами, суглинками, алевритами и песками с раковинами Portlandia arctica Gray, Natica clausa Brod et Sow, Macoma baltica Lin., Cardium ciliatum Chemn., Nucula tenius Mont, и др. Контакт залежей льда с вмещающими породами всегда резкий.

В зависимости от условий залегания на полуострове Ямал выделяются: 1 - залежи ископаемого инъекционного льда без заметного нарушения слоистости вмещающих пород - интрузивные пласты и линзы и 2 - залежи ископаемого инъекционного льда, нарушающие слоистость пород - лакколиты.

По составу залежи ископаемых льдов обоих типов весьма различны: одни из них состоят из чистого льда, другие содержат значительное количество твердых примесей.

Первый тип ископаемых льдов на полуострове Ямал встречается наиболее часто. Самый простой и распространенный случай - это одиночные пласты и линзы льда (рис. 2). Только на западном берегу оз. Ней-то (Мал-то) отмечено двенадцать таких тел, состоящих из чистого льда с твердыми примесями. Так, на озере, к северу от истоков р. Се-Яха, в большом цирке под 17-метровой толщей горизонтально- слоистых прибрежно-морских глин и суглинков, которые по простиранию замещаются мелкозернистыми песками, пласт чистого прозрачного льда достигал в поперечнике 100 м и видимой мощности 2 м . Во льду в небольшом количестве содержатся воздушные включения самых различных размеров (от долей миллиметров до 3- 5 мм ) округлой, реже овальной формы. Давление газа во льду нередко выше атмосферного. Минеральные примеси, в основном тонкозернистого песка, распределены неравномерно. В самой верхней части пласта во льду очень много трубочек и линзочек песка, вытянутых снизу вверх на 6 см при поперечнике в 0,5- 1 см . Песок окаймляет тонкой прослойкой и пласт льда по верхнему контакту. Лед крупнозернистый, особенно в участках с небольшим содержанием твердых примесей. Средние размеры поперечника кристаллов льда 3- 5 см , максимальные - до 10 см , объем самых крупных кристаллов 100-250 см³. Ориентировка оптических осей кристаллов часто хаотическая, иногда линейная по вертикали, либо - поясная в горизонтальной плоскости. Структура льда - аллотриоморфно-зернистая. Химический состав льда сульфатно-кальциевый, минерализация 40 мг/л.

Горизонтально-слоистые глины и суглинки, покрывающие лед, характеризуются своеобразным криогенным строением. Лежащие непосредственно на льду осадки содержат большое количество шлиров льда, образующих толстосетчатую структуру (объемная льдистость 50-60%), причем толщина вертикальных шлиров льда (10- 20 см ) в 1,5-2 раза превышает толщину горизонтальных. Вверх по разрезу объемная льдистость глин и суглинков постепенно уменьшается до 30%. Соответственно меняется и криогенная текстура отложений на неполносетчатую с толстыми вертикальными шлирами льда, прослеживающимися от кровли ледяного пласта на 3- 5 м вверх и содержащими примеси песка, отсутствующего в окружающих породах.

В единичных случаях встречаются залежи ископаемого льда в виде горизонтальных интрузивных пластов и линз, разделенных слоями вмещающей породы. Так, в среднем течении р. Юрибей в цоколе третьей надпойменной террасы нам пришлось наблюдать группу почти горизонтально расположенных линз льда. Сверху терраса сложена 8-метровой пачкой горизонтально-слоистых аллювиальных песков, которая с размывом ложится на прибрежно-морские пески с прослойками намывного торфа. В верхней части последних на глубине 10 м от бровки террасы выходят линзы льда (рис. 3). Лед обнажается в основании западной и восточной стенок небольшого цирка. Между выходами льда - осыпь, но, судя по строению цирка, лед образует все его основание. В западной стенке цирка видны три выклинивающиеся линзы льда, разделенные слоями песка с растительными остатками, мощностью 0,2 м каждый. Толщина ледяных линз (сверху вниз) составляет соответственно 0,4, 0,7 и 1,2 м . В восточной стенке цирка расчисткой вскрыты две линзы льда толщиной 0,5- 2,0 м , разделенные полуметровым слоем оторфованного песка. Контакт линз льда с вмещающими песками четкий, ровный. Слои песка, заключенные между ледяными линзами, сильно льдонасыщенные с тонкой косослоистой текстурой.

Лед в линзах матово-белый, с большим числом пузырьков воздуха, поперечником от долей миллиметра до 4- 6 мм , собранных в цепочки и шаровидные сгустки. Примесь песка и торфа в небольшом количестве наблюдается только вблизи контакта льда с вмещающей породой. Размер кристаллов льда во всех линзах примерно одинаковый, в среднем 1- 2 см .

Давление газа в пузырьках чаще всего близко к нормальному (атмосферному), но нередко бывает и повышенным. Ориентировка оптических осей кристаллов льда в общем аналогична первому случаю, о котором говорилось выше. Встречаются участки с кристаллами льда, несколько сплющенными или, наоборот, вытянутыми по вертикали. В целом структура льда аллотриоморфно-зернистая, реже переходная к призматически-зернистой, в единичных случаях слабо выраженная гипидиоморфно-зернистая. Лед пресный (сухой остаток 20 мг/л), его химический состав гидрокарбонатно-натриевый.

Всестороннее изучение условий залегания, состава и строения этой залежи ископаемого льда позволяет предполагать, что ее возникновение связано с несколькими, по меньшей мере, тремя боковыми инъекциями воды в промерзающие заторфованные пески.

Примером второго типа залежей ископаемого льда может служить ледяное тело, обнаруженное в нижнем течении р. Се-Яха (Мутная) и соответствующее по форме лакколиту (рис. 4). Залегание и сложение ископаемого льда здесь резко отличается от описанных, но в его структуре много общего.

Ледяной лакколит в виде трапеции обнажается под суглинками на глубине 8 м от поверхности морской равнины в основании цирка диаметром примерно 60 м . По составу и строению льда лакколит делится на три части: западную, центральную и восточную.

В западной стенке лакколита лед молочно-белого цвета, чистый, неслоистый, обогащен округлыми равномерно распределенными пузырьками газа диаметром 0,2- 2,0 мм . Давление газа в пузырьках превышает атмосферное. Примесь грунта очень незначительна. В основном это одиночные гнезда и линзы тонкого песка. Контакт льда с вмещающими породами резкий; приконтактная часть льда лакколита содержит окислы железа и комочки суглинка. Средние размеры кристаллов льда в этой части лакколита сравнительно невелики, всего 5- 10 мм , но максимальные достигают 5 см . Состав льда сульфатно-натриевый, сухой остаток 35 мг/л.

Центральная основная часть лакколита представляет собой почти вертикальное чередование слоев молочно-белого льда и льда с примесью мелкозернистого песка и суглинка. Среди слоев молочно-белого льда выделяются крупные (8- 20 см ) и мелкие (1- 3 см ), чередующиеся соответственно через 0,5- 1,0 м и 0,1- 0,2 м . Между ними заключен лед с большим количеством примесей песка и суглинка (до 10-15%). Как правило, толщина слоев льда с грунтом превышает толщину слоев молочно-белого льда и составляет от 20 см до 1,5 м . В среднем их толщина около 0,3- 0,5 м . Во льду с примесью грунта различаются прослойки льда с захваченными при внедрении воды комочками суглинка и тончайшие волосяные прослоечки светло-желтого тонкого песка, как бы взвешенного во льду. Отдельные слои смяты и образуют флексуроподобные складки.

Кристаллы льда, образующего складки, заметно крупнее, чем рядом во льду, залегающем в ненарушенной зоне. Видимо, лед, смятый в складки, подвергся динамометаморфизму. Количество примесей, грунта и толщина слоев выдержаны на всю видимую высоту лакколита. Четко выражено уменьшение толщины элементарных слоев чистого льда и льда с примесью грунта с запада на восток, что указывает на более частые инъекции воды и грунта-плывуна и их общее затухание в этом направлении. Включений воздуха здесь меньше, и они мельче. Средний размер кристаллов иногда даже несколько больше, чем в западной части лакколита, но чаще того же порядка. Состав льда хлоридно-натриевый; его повышенная минерализация (256 мг/л) легко увязывается с возросшим содержанием минеральных примесей.

Восточная часть лакколита отделена от центральной двухметровым слоем темно-серых суглинков (рис. 4) и отличается от последней меньшим количеством твердых примесей. Слои чистого льда толщиной 0,2- 1,0 м чередуются со слоями загрязненного льда толщиной не более 5- 7 см . Иногда те и другие выклиниваются у контакта с вмещающими породами. Твердые включения (песок, суглинок, торф) наблюдаются в виде то тонкой, вмерзшей в лед мути, то отдельностей грунта размером 0,5- 1,0 см и более.

Заслуживает внимания тот факт, что включения привнесенного песка и мелкие частицы суглинка создают слоистость, в то время как крупные включения вмещающего суглинка, размером более 1 см , как правило, совершенно не связаны со слоистостью льда. Отдельные пузырьки воздуха поперечником 0,5- 1,0 мм вытянуты параллельно слоям. Средние размеры кристаллов льда - около 2- 3 см , максимальные - более 6 см в поперечнике и объемом до 100 см³.

Ориентировка оптических осей кристаллов во всех разновидностях льда лакколита или хаотическая или близка к поясной в плоскости слоистости. Структура льда - аллотриоморфно-зернистая, реже гипидиоморфно-зернистая. Размер кристаллов льда в теле лакколита связан с количеством грунтовых примесей, чем их больше, тем кристаллы мельче.

Вмещающие лакколит льда породы представлены тяжелыми темно-серыми суглинками с включениями вивианита. В западной части цирка в зоне контакта с молочно-белым льдом суглинки на всю видимую высоту и ширину выхода сильно раздроблены и перемяты, содержат частые крупные шлиры льда, которые образуют сетчатую текстуру. Мощность самых крупных из них достигает 0,3- 0,4 м . Льдистость отложений составляет около 50-60%. Все текстурные особенности льда шлиров указывают на участие в их образовании процессов сегрегации и инъекции.

В восточной части цирка вмещающие слабольдистые суглинки на контакте со льдом характеризуются отчетливо выраженной слоистостью, совпадающей со слоистостью льда лакколита. Отмеченные особенности строения ледяного лакколита указывают на то, что формирование его связано с многократными инъекциями и последующим замерзанием сначала большой массы чистой воды, а затем поочередно, чистой воды и воды с песком, торфом и суглинком. Почти вертикальная четко выраженная слоистость льда лакколита с примесью песка говорит о поступлении воды из более глубоких песчаных горизонтов.

Химический состав и минерализация ископаемых инъекционных льдов очень неоднородны (см. табл.). В южной части полуострова (долина р. Юрибей) в формировании ледяных пластов, линз и лакколитов участвовали пресные гидрокарбонатно-аммониевые и гидрокарбонатно-хлоридно-аммониевые подземные воды. На северном Ямале (широта оз. Ней-то) состав промерзавших подземных вод был более пестрым и близким к морской воде. Чаще всего состав льдов здесь хлоридно-натриевый, реже - хлоридно-магниевый, хлоридно-аммониевый, сульфатно-кальциевый, сульфатно-натриевый и др.

Подобное различие в химическом составе льдов может указывать на накопление вмещающих их казанцевских песчано-глинистых отложений (южная часть полуострова) в условиях опресненного мелководья и разновременность выхода из-под уровня моря и промерзания различных частей полуострова. Преобладание в группе катионов аммония - случай редкий и, по-видимому, объясняется разложением растительных остатков, количество которых в казанцевских песках по данным валового анализа составляет до 10-15%.

Все залежи ископаемых льдов пресные. Сухой остаток колеблется от 20 до 250 мг/л и растет с увеличением минеральных примесей. Наиболее пресные линзы чистого льда - в заторфованных песках.

Основные особенности инъекционных льдов, отмеченные в свое время П.А. Шумским [1955], весьма характерны и обычны для исследованных нами ископаемых инъекционных льдов. Включения газа часто располагаются во льду отдельными группами, сгущениями. Минеральные примеси образуют струйки мути, песчинки, кусочки суглинистой породы взвешены во льду. Ориентировка оптических осей кристаллов льда чаще всего хаотическая, но может быть линейной и поясной. Господствует аллотриоморфная структура, кристаллы льда достигают весьма больших размеров.

Анализ строения и условий залегания всех встреченных на Ямале скоплений инъекционного льда указывает на их формирование как при мощных единовременных инъекциях сравнительно чистой воды (свободной от примесей), так и при повторяющихся инъекциях довольно небольших порций воды, несущей то или иное количество минеральных частиц, иногда настолько значительное, что следует говорить уже о разжиженной плывунной массе. Как отмечает П.А. Шумский [1955], в переувлажненных тонкодисперсных породах мигрировать под напором и создавать инъекции в участках с наименьшей прочностью мерзлых пород может не вода, а более или менее жидкая грунтовая масса. Замерзание такой массы ведет к формированию льда, загрязненного минеральными примесями, или даже сильно льдистой породы.

В связи с исследованиями ископаемых инъекционных льдов на Ямале и во многих других районах нуждаются в некоторых поправках и дополнениях два следующих положения П.А. Шумского. Первое, что инъекционные льды, образуя наиболее крупные единичные скопления, имеют наименьшее значение в общей массе подземных льдов. И второе, что инъекционные льды геологически недолговечны. В казанцевских отложениях полуострова Ямал и, очевидно, во многих других местах по побережьям северных морей общий объем залежей инъекционного льда вполне соизмерим с объемом повторно-жильных, залегающих здесь же в аллювиальных отложениях. То есть, для значительных по площади территорий, а может быть и зон многолетнемерзлых пород, среди крупных масс подземных льдов инъекционные льды древних прибрежно-морских отложений имеют такое же значение, как и повторно-жильные льды континентального комплекса.

Многочисленные находки ископаемых льдов инъекционного происхождения в верхнеплейстоценовых отложениях не являются чем-то исключительным, а свидетельствуют о благоприятных геологических и мерзлотных условиях, способствовавших формированию и затем длительному сохранению значительных масс льда. Эти условия были характерны для больших территорий и действовали в течение долгого времени.

Возраст инъекционных льдов соответствует возрасту мерзлой толщи, образование которой на полуострове Ямал началось в конце казанцевского - начале зырянского времени (Q₃^1-2). Б.И. Втюрин [1964] датирует возраст инъекционных льдов Чукотского полуострова также верхним плейстоценом.

Широкое распространение и глубокое залегание крупных скоплений инъекционных льдов на крайнем севере, а также отсутствие методики их обнаружения требуют нового подхода к мерзлотным и инженерно-геологическим изысканиям. По-видимому, наиболее рациональным и эффективным в этих условиях будет применение геофизических методов разведки.

ЛИТЕРАТУРА

Втюрин Б.И. Криогенное строение четвертичных отложений (на примере Анадырской низменности). М., Изд-во «Наука», 1964.

Кальянов В.П. Геоморфологические и гидрологические наблюдения на экспедиционном судне «Альбатрос» летом 1932 г . в Обь - Енисейской губе и прилегающей части Карского моря. Землеведение, 1934, т. 36, кн. 3.

Шумский П.А. Основы структурного льдоведения. М., Изд-во АН СССР, 1955.