Многолетняя мерзлота

 

Верхний слой земной коры, являющийся ареалом распространения многолетней  мерзлоты, называют криолитозоной. Нижней границей криолитозоны служит изотерма 0°С. Температура верхних горизонтов мерзлоты в начале и конце тёплого  сезона года переходит через 0°С. В  ходе циклических процессов промерзания  и оттаивания в её кровле формируется  сезонно-талый слой. Если горные породы протаивают глубже этого слоя и не промерзают в зимнее время, то кровля многолетней мерзлоты понижается и  возникают талики различного размера  и глубины [2].

 

1.4 Почвы районов многолетней мерзлоты

 

В почвах, расположенных  в зоне длительной сезонной или постоянной мерзлоты, протекает комплекс своеобразных процессов, связанных с влиянием низких температур. Над мёрзлым слоем, который является водоупором, вследствие коагуляции органических веществ может  происходить накопление гумуса, так  называемая надмерзлотная регенерация  гумуса, надмерзлотное оглеение даже при небольшом годовом количестве осадков. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву  капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных  горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мёрзлого слоя вызван целый  ряд механических изменений в  почвенном профиле, таких, как криотурбация — перемешивание почвенной массы  под влиянием разницы температур, солифлюкция — сползание насыщенной водой почвенной массы со склонов  по мёрзлому слою. Эти явления особенно широко распространены в тундровой  зоне. С криогенными деформациями связывают характерный для тундр  бугристо-западинный рельеф (чередование  бугров пучения и термокарстовых западин), а также образование  пятнистых тундр[12].

Под действием мороза происходит криогенное оструктуривание почвы. Отрицательные температуры способствуют переходу продуктов почвообразования в более конденсированные формы, и это резко замедляет их подвижность. Мерзлотной коагуляцией коллоидов  обусловлено ожелезнение таёжных  почв. С влиянием криогенных явлений  некоторые исследователи связывают  обогащение кремнекислотой средней  части профиля подзолистых почв, рассматривая белесую присыпку как  результат мерзлотной дифференциации плазмы и скелета почвы [2].

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Геологические процессы районов многолетней мерзлоты

 

В зоне многолетней мерзлоты наблюдается целый ряд геологических  процессов. Повторно-жильные льды формируются  в северной геокриологической зоне, где низкие температуры и небольшая  мощность сезонноталого слоя, и достигают  местами большой ширины и глубины  по вертикали. Их развитие связано с  морозобойными трещинами, образующими  системы полигонов различной  размерности и формы — тетрагональной (греч. «тетрагон» — четырехугольный) в однородных породах и неправильной — в разнородных. Основы современных  представлений о развитии ледяных  жил заложены работами Б.Н. Достовалова, А.И. Попова и др. Необходимыми условиями  для образования повторно-жильных  льдов являются:

- многократное возникновение  морозобойных трещин,  глубже  границы сезонного протаивания; 

-  соответствующее многократное  заполнение трещин льдом;

- наличие достаточно пластичных  или способных к уплотнению горных пород.

При этом выделяются два  типа роста жил:  эпигенетический, т.е. образующийся в пределах уже сформировавшихся горных пород; сингенетический, т.е. формирующийся одновременно с накоплением осадков. Это могут быть пойменный аллювий, делювиальные, болотные и другие отложения. В первом случае ледяные жилки образуются при последовательных годовых циклах растрескивания и заполнения трещин льдом. При этом рост жил происходит главным образом в ширину, величина которой определяется условиями возможного напряжения сжатия расклинивающихся пород. Во втором случае, соответствующем сингенетическому росту, каждая последующая вклинивающаяся жила льда не доходит до конца предыдущей,  равную накоплению осадка за год [2].

С разных точек зрения представляют интерес псевдоморфозы по ледяным жилам. При вытаивании ледяных жил образуются клиновидные полости, в которые происходит опускание, обрушение отложений, слагающих борта и кровлю трещин, испытывающих смятие, различные изгибы. Возникают своеобразные текстуры, называемые инволюциями (лат. «инволюцион» — изгиб, завиток) или криотурбациями. Такие псевдоморфозы встречены в ряде мест в четвертичных отложениях европейской части России и горных районах [9].

Происходящие в зоне многолетней  мерзлоты геологические процессы связаны, в первую очередь, с расклинивающим горные породы действием замерзающих  подземных вод. В свою очередь, это  действие зависит от условий залегания  и режима подземных вод, а также  от характера подземных льдов.

По времени образования  выделяют два главных типа подземных  льдов: сингенетические и эпигенетические.

Сингенетические льды возникли синхронно с формированием горных пород территории. Они представлены такой разновидностью, как погребенные  льды – захороненные под слоем  морены блоки ледника.

Эпигенетические льды образовались после накопления горных пород. В  их числе выделяют несколько разновидностей. Конституционные льды лидируют по объему в составе всех подземных. Они  возникают при промерзании увлажненных  горных пород, или при замерзании подземных вод при их приближении  к мерзлым грунтам. Инъекционные льды образуются при внедрении в  мерзлые породы напорных подмерзлотных  вод. Жильные льды представляют собой  интрузии льда в кристаллических  породах. Повторно-жильные льды формируются  в трещинах многолетнемерзлых рыхлых пород [19].

Подземные воды в мерзлых  породах по условиям залегания можно  разделить на три типа. Надмерзлотные  воды представлены в сезоннооттаивающем (деятельном) слое, в жидком виде напором  они не обладают. Межмерзлотные воды приурочены к таликам (прослоям и  линзам не замерзших пород), находящимся  внутри мерзлого слоя. Эти воды могут  как сообщаться с надмерзлотными и подмерзлотными, так и быть изолированными. Подмерзлотные воды лежат глубже мерзлых пород, часто обладают напором [11].

 

2.1 Криогенные  процессы и явления

 

Криогенными называют геологические, физические, биохимические и другие процессы, происходящие в самых верхних частях земной коры и обусловленные сезонным и многолетним промерзанием и протаиванием увлажненных рыхлых горных пород, охлаждением мерзлых пород, и замерзанием подземных вод [9].

Направление и интенсивность  криогенных процессов связанны с  особенностями накопления четвертичных осадков, с тепловлагообменом в  верхних горизонтах горных пород, с  динамикой промерзания и протаивания [14].

Для процесса рельефообразования наиболее существенное значение имеют  подземные воды и, прежде всего надмерзлотные, циркулирующие в пределах деятельного  слоя, или СТС (сезонно-талый, слой) с которым и связаны главные геологические события в районах с распространением многолетней мерзлоты.

Криогенные явления влияют на состав и строение верхних горизонтов литосферы, находят свое проявление в рельефе (микрорельефе) поверхности  земли, распределении растительности и, таким образом, часто обусловливают облик ландшафтов криолитозоны. Ярчайшим примером являются криогенные полигонально-жильные структуры, образующиеся на основе криогенного (морозобойного) трещинообразования. Они проявляются в полигональном микрорельефе и обусловливают многообразие криогенных ландшафтов (полигональных тундр, бугристо-западинного микрорельефа и др.). Эти ландшафты доминируют во многих регионах севера Евразии и Северной Америки не только в пределах современной криолитозоны, но и в областях ее былого распространения в позднем плейстоцене [16].

На разных стадиях развития криогенных явлений, вызвавшие их процессы имеют неодинаковую активность, они могут прекращаться или сменяться противоположно направленными. Обычно на начальных стадиях криогенные процессы плохо выражены в морфологии поверхности и слабо влияют на криогенное строение отложений. Наибольшим это влияние на микрорельеф и строение мерзлых пород является на зрелых стадиях. На стадиях деградации проявляются новые криогенные процессы, обычно противоположные по знаку первичному, сформировавшему соответствующее явление. При этом стадийность развития явления обусловлена внешними факторами (изменением суровости и влажности климата, геологическими и другими событиями). Отсюда следуют три важных положения региональной и исторической геокриологии. Во-первых, криогенным явлениям, в том числе и их выражению в рельефе, не всегда сопутствует вызвавший их процесс. Во-вторых, по морфологическим (стадиальным) особенностям криогенных явлений и криогенного микрорельефа можно судить о наличии или отсутствии этого процесса, следовательно, и об определенном диапазоне современных геокриологических условий. В-третьих, по наличию криогенных явлений в синкриогенных отложениях представляется возможным восстанавливать палеогеографические, в особенности палеокриогенные, условия определенных этапов геологического прошлого. Особое значение, это имеет при анализе разрезов синкриогенных отложений [9].

Ряд процессов и явлений, относимых к криогенным, по существу представляются модификациями экзогенных, проявляющихся в условиях распространения мерзлых пород. К ним относятся гравитационные склоновые (солифлюкция, курумы), термоабразия и термоэрозия. Ряд таких явлений, например курумы, не имеет одного ведущего процесса, способствующего развитию на начальных и зрелых стадиях.

Значительная часть криогенных процессов появляется или меняет свою интенсивность под влиянием хозяйственной деятельности человека, т. е. носит техногенный характер. Их новообразование или активизация  часто является главным следствием нарушения природной обстановки, приводящим к негативному воздействию  на сооружения и экологическую обстановку районов освоения. Вопрос их предотвращения или снижения отрицательного воздействия  является важнейшим в проблеме рационального  природопользования в условиях криолитозоны.

Среди мерзлотных процессов  наибольшее распространение получили:

- пучение и  морозобойное растрескивание грунтов;

- образование  жильных льдов, формирование полигональных  форм на поверхности;

- склоновые процессы  и термокарст [14].

 

 

 

 

2.1.1 Пучение

 

 Одно из явлений,  широко распространённое в пределах криолитозоны, — это многолетние бугры пучения. Образовываться они могут по-разному. Так, например, при промерзании талых торфяников зимой к ним начинает мигрировать вода из талых пород. Она тут же замерзает, превращаясь в объёмистый шлир льда. Торфяник приподнимается, на нём образуется бугор, постоянно увеличивающийся, поскольку вода всё продолжает поступать. Скорость роста таких бугров составляет до 10—30 см в год. Они достигают в высоту от 2—3 до 20 м, а в основании — от нескольких десятков до сотен метров. Такой бугор пучения называют миграционным, т.к. он образовался в результате миграции влаги.

 Существуют и другие  виды многолетних бугров пучения.  Один из них — инъекционный. Он возникает обычно в районах  мелких озёр и других небольших  водоёмов. Зимой такое озеро на  вечной мерзлоте зачастую промерзает  до дна. Однако под ним всегда  есть насыщенные водой талые  породы. Они также начинают промерзать. Талые породы оказываются как  бы в мёрзлом мешке: сверху  них лёд, снизу вечная мерзлота. Объём такого мешка по мере  промерзания постепенно уменьшается,  и вода талых пород, сжимаясь, начинает давить на сдерживающие  их стенки и кровлю. Наконец,  поддавшись этому давлению, мёрзлая  кровля в наиболее слабом месте  выгибается, образуя бугор пучения  шлемовидной формы. Такие бугры  пучения якуты называют «булгунняхами», а эскимосы — «пинго». Размер  их зависит от количества воды  в подозёрных талых породах  (таликах) и может достигать  в высоту 30—60 м, а в основании  — 100—200 м. Наиболее часто булгунняхи  встречаются в Центральной Якутии, на арктических приморских низменностях  северо-востока Сибири и Северной Америки [9].

 Наиболее распространённое  явление — выпучивание врытых  столбов, камней и других твёрдых  тел из рыхлых отложений, которые  при промерзании увеличиваются  в объёме и пучатся. Нередко  зимой такие рыхлые грунты  смерзаются с вкопанным столбом,  а затем, пучась, поднимают его  вверх. Столб как бы вынимается  из непромёрзшей части сезонно-талого  слоя. Образовавшаяся под ним  полость заполняется водой или  разжиженным грунтом. При полном  промерзании сезонно-талого слоя в этой полости образуется лёд или сильнольдистый грунт. Летом, пока не оттает подошва столба, он сохраняет своё приподнятое положение. После вытаивания льда в полости под столбом остаётся грунт, и потому столб, хотя и уходит в землю, но не настолько, чтобы принять своё первоначальное положение. С началом следующей зимы история повторяется. И так из года в год. Постепенно столб теряет устойчивость, наклоняется и падает. Не беда, когда это происходит со столбами изгородей, но когда падают телеграфные столбы и опоры электросети, деформируются сваи фундаментов зданий — это уже стихийное бедствие. В природе же многолетний процесс выпучивания валунов, скальных обломков и мелких камней приводит к формированию на поверхности каменных россыпей, образованию на пологих склонах целых каменных потоков [17].

 

2.1.2 Морозобойное  растрескивание

 

Морозобойное  растрескивание, криогенное растрескивание - образование и рост трещин в породах при понижении температуры пород ниже 0°С.

 Распространено в районах с суровыми климатическими условиями. Трещины, образующиеся при охлаждении поверхности пород в осенне-зимний период, имеют протяжённость от десятков до сотен метров и глубину от одного до нескольких метров. Трещины располагаются примерно на одном и том же расстоянии друг от друга. Перпендикулярно им образуется подобная система трещин, вследствие чего породы с поверхности оказываются разбитыми на прямоугольные в плане блоки-полигоны в однородных породах и неправильной формы многоугольники в неоднородных. При затекании в трещины воды и замерзании её во время весеннего снеготаяния они становятся основой образования повторно-жильных (полигонально-жильных) льдов. Морозобойное растрескивание обусловливает формирование полигонального микрорельефа, имеющего огромное распространение в Северной Евразии и Северной Америке, а также существенно интенсифицирует развитие оползней, криогенного пучения, солифлюкции, термокарста, термоэрозии [15].

 Физической основой  образования и роста криогенных  трещин являются температурные  деформации и напряжения в  мёрзлых породах, которые в  диапазоне температур от -1 до -10°С обладают аномально большими значениями коэффициента температурной деформации до 2000•10-6 1/град и более у глин, 100-400•10-6 1/град у суглинков и супесей, 20-50-6 1/град у песков. С понижением температуры и вследствие термореологических свойств в мёрзлых породах возникают температурные напряжения. Разрыв в первоначально сплошном массиве пород происходит, когда температурные напряжения превосходят прочность породы на растяжение [9].