Многолетняя мерзлота

Содержание

 

Введение                                                                                                                3

Глава 1.  Многолетняя мерзлота                                                                 4

1.1 Распространенность и  изучение                                                                    5

1.2 Время образования                                                                                             8

1.3 Температурный режим                                                                                       9

1.4 Почвы районов многолетней мерзлоты                                                     11

Глава 2. Геологические  процессы районов многолетней мерзлоты               12

2.1 Криогенные  процессы  и явления 13

2.1.1 Пучение 16

2.1.2 Морозобойное  растрескивание  17

2.1.3 Наледи 19

2.1.4 Склоновые процессы  в областях развития многолетней  мерзлоты 20

2.1.5 Формирование полигональных форм на поверхности  22

2.1.6 Термокарст 23

2.1.7 Криогенное выветривание 24

Заключение 27

Список литературы 29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Слой, который никогда  не оттаивает, называют многолетней  мерзлотой. Его мощность колеблется от 1000 м на севере до 30 см на юге. Лёд  и многолетнемерзлый слой покрывают  всю Антарктиду, четыре пятых Гренландии и северные регионы Сибири, Аляски и Канады [1].

Современное соотношение  деятельного слоя многолетней мерзлоты различно. В северных районах наблюдаются сливающиеся мерзлые толщи, в более южных районах - несливающиеся. Зону распространения многолетней мерзлоты называют криолитозоной (греч. "криос" - холод). Соответственно и наука, изучающая криолитозону и процессы, связанные с ней, называется геокриологией или мерзлотоведением. Основы этой науки были заложены М. И. Сумгиным, но особенно широкое развитие она получила в последние три десятилетия, и на ее основе решались и решаются важнейшие народнохозяйственные задачи: развитие горнодобывающей промышленности; строительство железных и шоссейных дорог, промышленных и жилых сооружений. Все это поставило перед наукой задачу всестороннего изучения многолетней мерзлоты, геологических процессов, связанных с ней, и оценку влияния на различные возводимые сооружения, объекты эксплуатации полезных ископаемых [4].

Многолетняя мерзлота оказывает влияние на подземные воды, режим и питание рек, распространение озер и болот, на многие другие компоненты природы (рельеф, почвы, растительность), а также на хозяйственную деятельность человека. При разработке полезных ископаемых, прокладке дорог, строительстве, при проведении сельскохозяйственных работ необходимо тщательно изучать мерзлый грунт и не допускать его деградации [5].

С каждым годом множатся свидетельства глобального потепления климата Земли. Повышение температуры из-за глобальных климатических изменений приводит к деградации многолетнемерзлых пород, и это становится экономической, геополитической и социальной проблемой [6].

Поэтому целью данной курсовой работы является изучение многолетней  мерзлоты, её основных геологических процессов и явлений

Глава 1. Многолетняя мерзлота

 

Многолетняя мерзлота (многолетняя криолитозона) — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общей площадью 35 млн км². Районы многолетней мерзлоты включают север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана, а также верхнюю часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1000 метров [12].

Хоть и называют многолетнюю  мерзлоту вечной, но на самом деле это  не так. Возникла эта мерзлота в четвертичный или ледниковый период развития нашей  Земли. В тех районах, где климат был сухим и морозным, а толщина  наземного ледникового покрова  была незначительна, а то и вообще не образовывалась, произошло промерзание  грунтов и образование районов  многолетней мерзлоты.

Мерзлые породы имеют температуру  ниже 0°С; часть или вся вода в  них находится в кристаллическом  состоянии. В средних широтах  промерзает зимой лишь небольшой  поверхностный слой, поэтому здесь  господствует сезонная мерзлота. В  северных широтах за долгую, морозную зиму земля промерзает очень глубоко, и коротким летом она оттаивает  лишь с поверхности всего на 0,5-2 м в глубину. Оттаивающий слой называется деятельным. Ниже его в  породах круглый год сохраняются  отрицательные температуры. Эти  места и называются районами многолетней мерзлоты [1].

Мерзлые грунты распространены на Земле преимущественно в заполярных районах. Крупнейшие области многолетней  мерзлоты — Сибирь и северная часть  Северной Америки [12] .

Территории, где распространена многолетняя мерзлота, называют еще  областью подземного оледенения. Но необходимо отметить, что мерзлые породы распространены здесь не повсеместно. В долинах  крупных рек, под большими озерами, в районах циркуляции подземных  вод толщи многолетней мерзлоты прерываются. На окраинах областей подземного оледенения существует островная мерзлота в виде отдельных пятен [13].

В мерзлых породах лед  становится своеобразным породообразующим минералом. Разнообразные ледяные  включения в горных породах земной коры называют ископаемым льдом. Причины  их возникновения различны: замерзание воды в толще мерзлотных грунтов; засыпание горных ледников осыпями. Ископаемый лед существует в виде жил, клиньев, тонких стебельков, а также  в виде линз. Порой образующаяся линза льда и поступающая снизу  вода приподнимают залегающие выше грунты, и возникает бугорок, называемый гидролакколитом. В Якутии они достигают 25-40 метров в высоту и 200-300 м в ширину [8].

Главные характеристики мерзлоты – распространение, мощность, льдистость и температура, криогенные образования (формы рельефа). Их распределение  в пространстве подчиняется основным географическим закономерностям: широтной зональности, высотной поясности и  секторности. По характеру распространения  многолетней мерзлоты выделяются две  широтные мерзлотные зоны:

- I – северная (сплошного распространения);

- II – южная (несплошного распространения мёрзлых толщ).

Южная зона подразделяется на три подзоны в зависимости  от площади, занимаемой много летней мерзлотой: II а – прерывистого, II б – массивно-островного, II в –  ост ровного и редкоостровного  распространения многолетнемёрзлых  пород. Южнее расположена зона (область) реликтовых мёрзлых пород [10] .

 

1.1 Распространенность и изучение

 

Многолетняя мерзлота —  явление глобального масштаба, она  занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью  — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной  многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и  сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется  от нескольких процентов до 90 %. В  многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности  гидрата метана.

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано  русскими землепроходцами XVII века, покорявшими  просторы Сибири. Впервые на необычное  состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и  Иваном Ребровым. В специальных посланиях  русскому царю они засвидетельствовали  наличие особых таёжных зон, где  даже в самый разгар лета почва  оттаивает максимум на два аршина [2].

Термин «вечная мерзлота», как специфическое геологическое  явление был введён в научное  употребление в 1927 году основателем  школы советских мерзлотоведов  М. И. Сумгиным. Он определял его, как  мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий. Слово мерзлота при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения.

65 % территории России  — районы многолетней мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней  мерзлоты отмечается в верховьях  реки Вилюй в Якутии. Рекордная  глубина залегания многолетней  мерзлоты — 1 370 метров, зафиксирована  в феврале 1982 года.

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ  на Севере [3].

Многолетняя мерзлота создаёт  множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней  можно очень долго хранить  продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной  стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести  разработку кимберлитовых трубок в  Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачный — с почти отвесными  стенками [12] .

 

 

Рисунок 1 -  Карта распространения  и мощности криолитозоны (научный  редактор Э.Д. Ершов)

 

Субаэральная криолитозона: 1 - 4 - несплошного распространения мощностью (м): 1 - редкоостровного, М-0-15 м, 2 - островного, М- 0-20-25 M, 3 - массивно-островного, М-0-50 м, 4 - прерывистого, М-0-100 м; 5 - 15 - сплошного распространения мощностью: 5 - 100-200 м, 6 - 100-300 м, 7 - 200-400 м, 8 - 300-500 м, 9 - 300-700 м, 10 - 400-600 м, 11 - 400-700 м, 12 - 500-900 м, 13 - 700-1100 м,          14 - 900-1500 м, 15 - 100-1000 м и более, 16 - реликтовая криолитозона, залегающая на глубине Н от поверхности: а - Н до 100 м, М - до100 м; б - Н от 100 до 200 м,        М - от 100 до 200 м; В - Н более 200 м, М - более 200 м. Субмаринная криолитозона: 17 - островного и прерывистого распространения, М-0-100 м; 18-19 - сплошного:     18 – М-100-300 м, 19 – М-200-400 м. Границы: 20 - различной мощности криолитозоны, развитой с поверхности, 21 - различной мощности субмаринной криолитозоны, 22 - различной мощности реликтовой криолитозоны, 23 - южная граница современного распространения криолитозоны, 24а - южная граница реликтовой криолитозоны, 246 - возможная южная граница промерзания пород в плейстоцене [7] .

 

1.2 Время образования

 

Исследованиями ряда ученых (Шер и др.) в бассейне р. Коль было установлено, что следы многолетнего промерзания встречаются в отложениях, возраст которых по биостратиграфическим и палеомагнитным данным соответствует  плиоцену (1,8—2,4 млн. лет). Сходные данные были получены американскими и канадскими исследователями, которые показали, что мерзлые толщи на севере Аляски и Канады начали образовываться почти 2 млн. лет назад. В отложениях плиоцена на Колыме были обнаружены грунтовые  псевдоморфозы (клиновидные тела) по повторно-жильным льдам, но признаков  непрерывного существования мерзлоты во вмещающих породах не было. Возможно, что мерзлые толщи с ледяными жилами, существовавшие в плиоцене, в последующем протаяли. Вместе с  тем в районе Колымы в отложениях раннего плейстоцена (700—360 тыс. лет) было обнаружено несомненное непрерывное  существование многолетней мерзлоты. В Центральной Якутии Е. М. Катасоновым  было установлено непрерывное существование  мерзлых пород среднего плейстоцена.

Такие данные имеются и  для позднего плейстоцена. Однако следует  отметить сложность и изменчивость климатических условий в плейстоцене, которая периодически сказывалась  на развитии мерзлоты. Эти изменения  связаны с тектоническими причинами, вызывавшими увеличение площади  суши и уменьшение акватории Мирового океана, и с неоднократными оледенениями и межледниковьями. Происходила периодическая смена резкого похолодания потеплением, сопровождавшимся повышенной влажностью [13].

 

Таблица 1 – Глубина промерзания 

 

Глубина промерзания при  средних отрицательных температурах
Время (в год.)	Глубина мерзлоты (м)
1	4,44
350	79,9
3500	219,3
35000	461,4
100000	567,8
225000	626,5
775000	687,7

 

1.3 Температурный режим

 

Температуру грунтов и  глубину сезонного протаивания  и промерзания определяет один и  тот же комплекс факторов - современные  климатические и местные условия (тип грунта и растительности, увлажненность, рельеф и т, п.). Зона - территория, в пределах которой глубины сезонного протаивания одинаковы или близки в аналогичных местных условиях и не выходят за определенные пределы наибольшего многолетнего максимума, причем экстремальные значения могут наблюдаться в любой части зоны. В качестве подзон выделены территории, на которых глубины сезонного протаивания существенно изменяются (по сравнению с зоной) только в некоторых условиях [1].

Мерзлота формируется  на суше (в горах и на равнинах), на шельфе арктических морей (Баренцево, Карское и др.) и под ледниками. Возможность промерзания горных пород под ледниками определяется температурой воздуха и мощностью  ледника (в толще льда температура  повышается с глубиной на 2–2,5 °С на каждые 100 м).

Таблица 2 – Температура  и мощность промерзания

 

Характеристики мерзлоты
Температура, °С			Мощность, м
На суше	Под ледниками	На шельфе	На суше	Под ледниками	На шельфе
от -14 до -16	от -1 до 14	от -0,5 до -10	300 - 600	500 - 700	20 - 300
от -11 до -19			300 - 700
от -2 до -4		от -0,5 до -7	50 - 300		10 - 200
от -2 до -8			50 - 400
от -1 до -10	до -10	от 0 до -1,5	до 300 - 500	до 700	до 500
от -3 до -13			до 500
Близкие в современным
от -11 до -18	от -5 до -15	от -3 до -5	400 – 700	300 - 700	100 - 300
от -9 до -20			350 – 1000
от -11 до -18		от 0 до -7	200 - 400		50 - 250
от 0 до -6