Грунтовый (подземный) лед и многолетняя (вечная) мерзлота

ГРУНТОВЫЙ  (ПОДЗЕМНЫЙ)  ЛЕД  И  МНОГОЛЕТНЯЯ  (ВЕЧНАЯ)  МЕРЗЛОТА. 

    Грунтовый (подземный) лед и многолетняя (вечная) мерзлота. Во всех странах с холодной зимой почва периодически промерзает с поверхности, и в ней образуется почвенный лед, заполняющий поры грунта. Глубина промерзания тем больше, чем ниже зимние температуры и чем тоньше зимний снежный покров, защищающий почву от крайнего переохлаждения. В большей части умеренного пояса, где средние годовые температуры положительны, промерзание имеет сезонный характер, и почва вновь оттаивает летом. Это явление носит название сезонной мерзлоты. 
     В областях, где среднегодовая температура отрицательна, ниже зоны сезонной мерзлоты, в зоне постоянных температур, как известно, соответствующих средним годовым, горные породы остаются мерзлыми круглый год. Вода, заключенная в их порах, все время остается в твердом состоянии в виде грунтового, или подземного льда. В таком случае говорят о многолетней, постоянной или вечной мерзлоте. 
     Многолетняя мерзлота широко распространена в субполярном и холодно-умеренном климате, особенно в Канаде, на Аляске и в Восточной Сибири. В этих областях вертикальный разрез почвы и подпочвы в схеме имеет следующие особенности. 
     Верхняя часть его (мощностью от нескольких сантиметров до 1,5—2 м) носит название деятельного слоя. Это слой сезонной мерзлоты, который за лето оттаивает, а зимой замерзает. Летом деятельный слой обычно целиком насыщен водой или содержит воду в своей нижней части над водоупорными постоянно мерзлыми слоями. Это так называемые надмерзлотные воды. Ниже располагается постоянно промерзший слой различной толщины, не оттаивающий летом, т. е. собственно слой многолетней мерзлоты. Под толщей многолетней мерзлоты залегают слои, находящиеся вне сферы влияния климатических условий, где сказывается уже влияние внутреннего тепла Земли. Здесь циркулируют подземные воды в жидкой фазе, находящиеся обычно под гидростатическим напором, так как сверху они прикрыты водоупорным мерзлотным слоем. Это так называемые подмерзлотные воды. 
     Воды в жидком состоянии могут залегать в виде линз внутри зоны многолетней мерзлоты, что связано с неравномерным распределением в ней температур. Эти воды называются межмерзлотными водами. Участки талого грунта, к которым они приурочены, носят название таликов. 
     Межмерзлотные, а иногда и надмерзлотные воды могут временами приобретать напор. Обычно он возникает осенью и зимой, когда идет промерзание деятельного слоя и таликов. Развивающаяся сезонная мерзлота постепенно смыкается с многолетней мерзлотой, но не сразу повсеместно. Во многих местах между ними сохраняются более или менее долго незамерзающие участки, насыщенные водой, которая постепенно сжимается замерзающими и увеличивающимися в объеме окружающими слоями грунта. Напор, возникающий при этом, может быть очень значительным. 
     Иногда из-за образования трещин в мерзлоте напорные воды внедряются под почву и замерзают там в виде крупных линз, поднимающих поверхностный слой и носящих название гидролакколитов. Образующиеся над такими гидролакколитами бугры с ледяным ядром, или булгунняхи, имеют высоту до 10 л и более. Они представляют собой целые небольшие холмы с довольно крутыми склонами. Покрывающий их лес иногда оказывается наклоненным в разные стороны. Прорыв межмерзлотных и подмерзлотных вод может быть вызван деятельностью человека, например возведением строений, отапливаемых зимой. Под такими строениями мерзлота подтаивает, и это может открыть доступ к поверхности нижележащих напорных вод. 
     В других случаях напорные воды изливаются на поверхность Земли и образуют наледи часто значительных размеров. Толщина последних достигает 5 м. Площадь их может занимать несколько квадратных километров. 
     Ярким примером подобного явления может служить случай, происшедший в 1939 г. в Бурятской АССР в сел. Балаганском, где под зданием школы неожиданно забил подземный ключ. Сильным извержением воды в школе был снесен пол, разрушены внутренние перегородки, сорваны окна и двери. Вода выливалась через окна, двери и постепенно замерзала. В центре селения образовалась ледяная гора, под которой оказалось погребенным здание школы.

Подземный лед — это  важнейший компонент вечной мерзлоты. Отрицательная температура создает условия для возникновения льда в грунтах.

Присутствие льда в мерзлой  толще кардинально меняет ее свойства по сравнению с исходным, не мерзлым  грунтом. В то же время большие  массивы скальных грунтов или  грунтов, насыщенных достаточно концентрированными растворами, могут иметь отрицательную  температуру и при этом совсем не содержать льда. Подобные толщи  получили название морозных, в отличие от мерзлых, т. е. содержащих лед. Количество льда в вечномерзлых толщах разного типа неодинаково. Его содержание изменяется от долей процента, а в некоторых горизонтах и до 100%.

Вечная мерзлота равнин и горных впадин, где промерзли толщи рыхлых грунтов, отличается более сложным распределением льда, значительным содержанием разных типов подземного льда по сравнению с горными массивами и хребтами.

Подземные льды очень разнообразны. Наиболее распространены лед-цемент и сегрегационный лед.

Лед-цемент — это мелкие, чаще всего не видимые глазом кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки в грунте. Образуется в результате замерзания воды и сублимации водяного пара в порах и капиллярах, существующих в грунте. Этот вид льда потому и называется цементом, что он как бы цементирует отдельные минеральные частицы в единую монолитную массу мерзлой толщи.

Сегрегационные льды образуются при промерзании влажных глинистых грунтов. В этом случае грунтовая масса разделяется на ледяные линзочки, прослои, прожилки (ледяные шлиры) и прослои глинистого грунта, сцементированного отдельными кристаллами льда. При формировании сегрегационных льдов происходит перемещение воды из глубоких слоев грунта к фронту промерзания. Таким образом, мерзлый грунт обогащается льдом. В зависимости от темпов промерзания, влажности, типа фунта может сильно меняться форма и толщина ледяных шлиров — тонких слоев льда — от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

При промерзании массивов твердых  коренных пород лед образуется за счет воды, циркулирующей по тектоническим  и иным трещинам, а также водяного пара, который, сублимируясь на холодных стенках трещин, создает ледяные щеточки.

Крупные включения подземного льда наиболее интересны для исследователей. Особое внимание привлекают огромные вертикальные жилы и горизонтальные пласты льда. Жильные льды встречаются  на Яно-Индигирской, Колымской, Центрально-Якутской низменностях. Этот вид льда залегает в мерзлой толще в виде вертикальных жил или клиньев шириной до 7 — 8 м. Ледяные жилы создают решетчатый каркас, образовавшийся в результате пересечения двух взаимно перпендикулярных рядов жил. Ледяные жилы могут достигать 10 — 20 м и даже более.

Как же возникают такие льды?

Зимой, когда полностью  промерзает слой летнего оттаивания, мерзлота образует сплошной монолит, простирающийся  в глубь поверхности на многие метры. В области вечной мерзлоты при сильных морозах происходит охлаждение массивов мерзлых толщ. Они испытывают своеобразный тепловой удар и растрескиваются на поверхности. Трещины называются морозобойными. И действительно, образование трещин сопровождается сильным шумом.

Морозобойные трещины  образуют в плане геометрически  правильную, тетрагональную или гексагональную сеть, что объясняется закономерным распределением напряжений в мерзлых  фунтах при их охлаждении. Морозобойные трещины не только рассекают поверхность  почв, но и проникают в глубину  на 5 — 6 м. Весной, когда верхние слои грунта оттаивают, в трещины затекает талая вода, которая, просачиваясь вниз, замерзает при соприкосновении  с мерзлыми стенками трещины. Так  возникает элементарный ледяной  клин. Высота его, считая от подошвы  слоя летнего оттаивания, составляет несколько метров, а ширина всего 1 — 3 см.

Морозобойные трещины  обладают одним замечательным свойством  — постоянством места своего возникновения. Из-за того, что лед имеет меньшую  прочность на разрыв, чем мерзлый  грунт, морозобойные трещины из года в год образуются на одном и  том же месте. Поэтому этот тип  подземного льда был назван повторно-жильным. Ледяной клин растет в ширину и  за столетие может достигнуть 2 — 3-метровой ширины. Но, пожалуй, самое удивительное в том, что ледяные клинья растут не только вширь, но и в высоту. В  это трудно поверить. Многих исследователей ставили в тупик реально существующие жилы льда вертикальной протяженностью в несколько десятков метров, тогда  как теоретически максимально возможное  морозобойное растрескивание не может  быть больше 10 — 12 м, а обычно оно  равно 5 — 6 м.