Лекция 1. Геокриология (мерзлотоведение) как наука

Часть. Геокриология.

Лектор Н.Т.Егорова

Курс лекций по Геокриологии и гляциологии.

Мерзлотоведение — наука о мерзлых зонах литосферы, т. е. зо­нах устойчивого охлаждения Земли, о формировании в их пределах низкотемпературного поля, о составе и свойствах торных пород при отрицательных температурах, о специфических и разнообраз­ных процессах литогенеза в этих условиях.

Общее мерзлотоведение изучает мерзлые горные породы, их распространение, состав и строение, тепловые процессы в них и их температурное состояние, физико-механические и другие свойства, историю и закономерности развития. Вопросы использования мерз­лых горных пород в практических целях, разработка методов стро­ительства в условиях мерзлоты - составляют предмет прикладной дисциплины — инженерного мерзлотоведения.

Вследствие шарообразности Земли имеет место систематиче­ский дефицит тепла в ее приполярных зонах. Вызванная этой при­чиной, а также наклоном земной оси к эклиптике неравномерность распределения на поверхности Земли поступающей от Солнца лу­чистой энергии, преобразуемой в тепловую, создает избыточно и устойчиво охлажденные области земной коры, тяготеющие к обоим полюсам, а в пределах крупных материков охватывающие и сред­ние широты. Избыточное охлаждение проявляется в устойчивом как многолетнем и многовековом, так и сезонном, т. е. только зим­нем промерзании земной коры, а также в образовании при благоприятных условиях наземных ледников. Так возникают мерзлые зоны земной коры как географическое зональное явление.

Мерзлые зоны литосферы являются составной частью криосферы — оболочки с отрицательной температурой, охватывающей атмосферу, гидросферу и литосферу. По мере удаления от полюсов в сторону экватора криосфера выходит за пределы земной коры и фиксируется лишь в атмосфере. В низких широтах в нее могут попадать только высокие горные системы или отдельные горные вершины.

Промерзание земной коры есть явление льдообразования; т.е.
кристаллизации воды, заключенной в горных породах, когда температура их достигает 0° или отрицательных значений.

Обширные зоны устойчивого охлаждения Земли, которым свойственно льдообразование в земной коре, относятся к областям подземного оледенения. Существование подземного оледенения столь же продолжительно, как и оледенения наземного и измеряется многими десятками, сотнями тысяч лет.

Оба вида оледенения — подземное и наземное — явления, причинно взаимосвязанные и в своем развитии обязанные как общим (явление охлаждения в условиях криосферы), так и различным факторам (подземное оледенение — результат замерзания воды в земной коре; наземное оледенение — следствие превращения снега в фирн и лед).

Итак, основной отличительной особенностью мерзлых зон литосферы является вода в твердой фазе — лед, а необходимым условием мерзлого состояния земных недр является отрицательная или нулевая температура.

Следовательно, в зонах устойчивого охлаждения Земли формируются толщи длительно существующих мерзлых горных пород называемых многолетней мерзлотой, понятие о которой совпадает с понятием о подземном оледенении.

Под многолетней мерзлотой следует понимать толщи мерзлых горных пород, не оттаивающие в течение времени от нескольких лет до десятков и сотен тысяч лет. Таким образом, продолжительность существования мерзлоты, т. е. подземного оледенения, соизмерима с отрезками геологического времени.

Над многолетней мерзлотой формируется слой ежегодного сезонного промерзания — протаивания, называемый деятельным слоем. Область только сезонного промерзания—протаивания выходит далеко за пределы подземного оледенения.

Длительное промерзание земной коры сопряжено с изъятием из обычного кругооборота - воды в атмосфере, гидросфере и литосфере. При этом имеет место консервация части подземных вод. Выбывает из кругооборота часть воды из океанов и вод суши. Таким образом, подземное оледенение, как и наземное, нарушает кругооборот воды на Земле, что имеет важное палеогеографическое значение.

Промерзание как процесс. Промерзание земной коры следует рассматривать в трех аспектах: теплофизическом, географическом и геологическом.

Теплофизический а с п е к т обусловлен тем, что лед и его разные состояния в горных породах зависят от тепловых процессов в земной коре. Само замерзание воды и таяние _:льда — процессы, идущие с тепловыделением и теплопоглощением.

Географический аспект связан с тем, что:

- сущест­вование зон устойчивого охлаждения зависит от географических факторов зонального распределения тепла и влаги на Земле;

-трансформация солнечной энергии в тепловую происходит на земной поверхности в тесной зависимости от физико-географических факторов (рельефа, увлажнения земной поверхности, характера растительности, распределения снежного покрова, атмосферных агентов).
Геологический аспект определяется тем, что льдообразование совершается в определенных геологических условиях. В горных породах, в зависимости от их исходного состояния (дисперсности, увлажнения, минералогического состава, первичной
текстуры и структуры и т. д.), под влиянием промерзания происхо­дят те или иные изменения состава, свойств, текстуры и структуры. Процесс промерзания, как процесс геологический, когда он происходит в непосредственной близости от земной поверхности, приводит
к деформациям верхних горизонтов пород (пучению, просадкам и т. д.) и к изменению рельефа, т. е. проявляет себя и как процеес геоморфологический.

Краткая история мерзлотоведения. Аборигены области многолетней мерзлоты, конечно, с самого начала своего появления там знали, что собой представляет никогда не оттаивающая земля со льдом. Постоянно с ней сталкивались в повседневной практике и накапливали определенные данные. Но в науку эти сведения долго не проникали.

Первые отрывочные сведения о мерзлоте, появились в XVI—XVII вв. из Северной Сибири, с Новой Земли, из Северной Америки. В XVII в. якутские воеводы сообщали царю, что в Якут­ске земля за лето не растаивает и что поэтому там «хлебной пашни не чаять». В конце XVII и начале XVIII вв. стали поступать сведения о сохранившихся в многолетней мерзлоте трупах мамонтов на севере Сибири. Особый интерес вызвала находка мамонта в льдистой по­роде, описанная Адамсом, в устье Лены на Быковском полуострове (1805г.).

Конец XVIII и XIX вв, — время накопления достоверных и научно обоснованных фактов о мерзлоте. Однако западными учеными высказывались сомнения в справедливости сведений о многолетней мерзлоте в Сибири. Присутствие леса и влияние внутреннего тепла Земли, по мнению ряда ученых, исключали возможность су­ществования мерзлоты. Лишь академик А. Ф. Миддендорф (40-е го­ды XIX в.) научно доказал существование вечной мерзлоты.

Конец XIX и начало XX в. ознаменовывается попытками обоб­щения сведений о многолетней мерзлоте. Л. А. Ячевский в 1889 г. соста­вил карту многолетней мерзлоты Северной Азии, А. Б. Добровольский в 1923 г. ввел понятие о криосфере, чем значительно способствовал развитию мерзлотоведения. Тогда же появились первые лаборатор­ные работы по мерзлым грунтам в России и США.

Лишь после 1917 года в России начались планомерные исследования мерзлоты в связи с запросами народнохозяйственной практики. В 1930 г. при Академии наук СССР была создана комиссия по вечной мерзлоте. Ее инициаторами были академики В. И. Вернадский и В. А. Обру­чев, а главным идейным вдохновителем и организатором — осново­положник советского мерзлотоведения профессор М. И. Сумгин. В 1936 г. комиссия была преобразована в Комитет, а в 1939 г. — в Институт мерзлотоведения АН СССР.

Развитие отечественного мерзлотоведения потребовало создания Института мерзлотоведения Сибирского отделения АН СССР в Якутске, а также предопредели­ло возникновение ряда мерзлотоведческих структур в разных организа­циях (например, кафедра мерзлотоведения и кафедра криолитологии и гляциологии в Московском университете, отделы мерзлотове­дения в ряде учреждений Госстроя СССР и др.). Сведения о развитии мерзлотоведения можно найти в книге Ю Б Баду «Криолитология», вышедшей из печати в 2010 г.

В настоящее время мерзлотоведение развивается, углубляются его теоретические основы, расширяет­ся методика исследований, оно получает все большее применение в науке и практике.

Общее мерзлотоведение изучает общие теплофизические, физико-механические и геологические закономер­ности развития и состояния толщ мерзлых горных пород, их геогра­фическое распространение, условия залегания, состав и строение, физико-механические и другие свойства, температурный режим, развитие в четвертичное время и т. д.

Прикладное мерзлотоведение (или иначе инженерное мерзлото­ведение) занимается исследованием мерзлых пород с точки зрения инженерной практики. Эта отрасль мерзлотоведения определяет степень устойчивости мерзлого или оттаивающего основания в строительных целях, изучает температурный режим замерзающих, мерзлых или оттаивающих грунтов в тех же целях и т. д. В связи этим прикладное значение мерзлотоведения для народного хозяйства очень велико.

Методы проектирования и строительства, принятые для средних широт (типовые проекты), в области мерзлоты не годятся. Здесь строительная практика встречается с многочисленными трудностями:

1. При оттаивании льдистых грунтов происходит осадка различ­ных сооружений, мостов, оплывание стенок выемок в карьерах и т. д.

2. Возникают пучины на дорожном полотне, аэродромных по­крытиях.

3. Происходит выпучивание фундаментов, столбов, мостовых устоев и т. д.

4. Морозобойные трещины рвут кабели, трубы, дорожное по­лотно и т. д.

Борьба с подобными пагубными явлениями возможна лишь на основе всестороннего изучения мерзлых пород, как природного яв­ления.

Связь мерзлотоведения с другими науками. Мерзлотный про­цесс, как уже отмечалось, имеет три сущности — теплофизическую, географическую и геологическую. Поэтому существует тесная связь мерзлотоведения с теплофизикой, климатологией, с физической географией и геологией (в особенности с гидрогеологией, петрогра­фией, литологией, четвертичной геологией и другими отраслями геологии). Очевидна также связь мерзлотоведения с инженерной геологией, грунтоведением, механикой грунтов и другими инженерными дисциплинами.

Во всех этих науках мерзлотоведение черпает для себя материал, т.к. на основе этих наук возможно правильное понимание существа процессов промерзания и протаивания в горных породах.

Со своей стороны достижения мерзлотоведения с успехом могут быть использованы и используются другими науками.

Методы изучения мерзлых горных пород. Методы изучения мерз­лых пород определяются также тремя сущностями многолетней и сезонной мерзлоты — теплофизической, географической, геологической.

В зависимости от того, какая из сторон мерзлотного процесса ис­следуется, применяются различные методы геофизических, географических или геологических наук.

Многолетняя и сезонная мерзлота исследуется, прежде всего, поле­вым, экспедиционным методом в местах распространения тех или иных мерзлых толщ. Полевой материал затем обрабатывается в камеральных условиях. Мерзлые и оттаявщие грунты, а также лед, как горная порода, изучаются в специальных лабораториях. Лабо­раторные исследования помогают выяснить механический и хими­ческий состав пород, их строение, физико-механические и другие свойства.

Результативные мерзлотные исследования возможны лишь в том случае, если, мерзлые породы изучаются в тесной взаимосвязи со всей физико-географической и геологической обстановкой, им, сопутствующей, так как именно эти взаимосвязи определяют все особенности состава, строения и физического состояния этих пород.

Наибольший эффект при изучении и выведении общих закономерностей развития мерзлых пород дает комплексное применение ряда методов, позволяющее всесторонне описать явление, получить о нем наиболее полное представление.. Современные методические приемы и способы изучения криолитозоны описаны в книге Ю.Б. Баду «Криолитология», вышедшей в печать в 2010 г.

Следует указать, что толщи мерзлых горных пород — объект довольно трудный для исследования, так как очень часто он скрыт, от глаз наблюдателя в земных недрах. Обнажения мерзлых пород подвержены быстрым изменениям вследствие таяния льда — главного компонента мерзлой породы.

Определение южной границы многолетней мерзлоты в северном полу­шарии осложнено взаимным проникновением участков талых и мерзлых пород близ южного предела их распространения. Существуют различные подходы к определению южной границы. Согласно Б. Н. Достовалову и В.Д. Кудрявцеву, имеются следующие определения южной границы.

1. Географическая южная граница распространения вечномерзлых пород представляет собой линию, оконтуривающую с юга область распространения мерзлых толщ, за исключением отдельных высокогорных участков мерзлых пород в субтропических и тропических зонах.

2. Географическая южная граница распространения мерзлых пород представляет собой среднее многолетнее положение нулевой геоизотермы у подошвы слоя сезонных колебаний температуры.

3. Контакт между мерзлой и талой зонами, независимо от географического положения последних, называется «физической границей» мерзлых и талых пород.

При рассмотрении отдельных зон многолетнемерзлых пород в горных областях вместо термина «южная граница» употребляется термин «высотная граница». Высотную границу, как и южную, можно оп­ределять и по крайнему положению мерзлых толщ, и по среднему сложению нулевой геоизотермы.

Дата добавления: 2014-01-03