Лекция 3. Сезонная и многолетняя мерзлота

Сезонная мерзлота. Сезонное промерзание - протаивание и их причины. Наклон земной оси к плоскости эклиптики обусловливает смену времен года на Земле. Результатом смены времен года является периодическое сезонное промерзание и протаивание некоторого приповерхностного горизонта земной коры. Сезонная пульсация в поступле­нии - расходе тепла, с постоянным дефицитом его в зонах, тяго­теющих к полюсам, приводит в итоге к развитию многолетней мерзлоты. Сезонная смена времен года приводит к тому, что над многолетней мерзлотой образуется слой сезонного (летнего) протаивания, замерзающий зи­мой, а вне области многолетней мерзлоты — слои сезонного промерзания, оттаивающие летом.

Южная граница Вечной, мерзлоты

Рис. 1. Схема изменения глубины сезон­ного промерзания - протаивания:

1 - зона потенциально возможного сезонного протаивания, 2 - сезонно промерзающие и протаивающие породы, 3 - многолетняя мерзлота.

Помимо слоя зимнего промерзания и летнего про­таивания, свойственного средним и высоким широтам и в некоторых местах юж­ных широт, вре­менами возникает кратковременномерзлое состояние пород, длящееся несколько часов или, реже, несколько суток.

Закономерности сезонных мерзлотных явлений иллюстрирует гра­фик (рис. 1).

Из данных графика видно, что действительная глубина сезон­ного промерзания и протаивания наибольшая у южной границы многолетней мерзлоты. К северу от нее она меньше вследствие фактиче­ского уменьшения глубины сезонного протаивания (т. е. глубины потенциального протаивания), а к югу она меньше вследствие мень­шей глубины фактического промерзания.

Деятельный слой. Слой сезонного промерзания и протаивания называется дея­тельным слоем. Различают слой сезонного протаивания, расположенный над мерзлотой, и слой сезонного промерзания над талым субстратом. При этом исходят из того положения, что существуют постоян­но мерзлая толща пород (многолетняя мерзлота) и постоянно талая толща (за пределами области многолетней мерзлоты). Для первой характерно сезонное протаивание, т. е. потенциальное сезонное про­мерзание вуалируется наличием многолетней мерзлоты; для второй характерно сезонное промерзание, так как потенциальное протаива­ние здесь не проявляется из-за малой глубины зимнего промер­зания. Поэтому и даны названия — слой сезонного протаива­ния для области многолетней мерзлоты и слой сезонного промерзания — для области вне многолетней мерзлоты. Сегодня все чаще пользуются иными названиями: деятельный слой над многолетнемерзлым субстратом, имея в виду сезонное промерзание и протаивание над многолетней мерзлотой и деятельный слой над талым субстратом, имея в виду сезонное промерзание над талой толщей горных пород.

В деятельном слое происходят наиболее значительные годовые колебания температур, совершается наибольшая часть годовых теплооборотов, наиболее интенсивно развиваются физические, фи­зико-химические и геологические процессы. Это тот промежуточ­ный слой, через который происходит теплообмен поверхности Земли с многолетнемерзлой толщей. Сезонное промерзание и протаива­ние в деятельном слое предопределяет направление и характер физических, физико-химических и геологических процессов, кото­рые в свою очередь, определяют особенности криогенного строения и свойства толщ мерзлых горных пород.

Гео­графическое распространение сезонного промерзания очень вели­ко. По существу оно наблюдается повсюду, за исключением суб­тропиков и тропиков, где оно возможно лишь в высоких горах. В области многолетней мерзлоты деятельный слой повсеместен. Он от­сутствует лишь в том случае, когда мерзлота залегает не­посредственно под ледником, покровным или горным. Тогда мерз­лое состояние (глетчерный лед) начинается с дневной поверхности. В Гренландии была найдена мерзлая почва под глетчерным льдом, мощностью от 2 до 5 м. По данным М. Г. Гроссвальда, льдистая горная порода была встречена под глетчерным льдом на Земле Франца-Иосифа.

Мощность деятельного слоя зави­сит от комплекса физико-географических и геологических фак­торов и меняется от нескольких сантиметров до 3-5 м, редко до 8-10 м.

Мощность деятельного слоя изменчива от места к месту в связи с обычной пестротой природных условий на поверхности, а также литологической разнородностью и пространственным изменением увлажнения грунтов.

Даже в пределах одного и того же участка местности глубина сезонного промерзания и протаивания не бывает одинаковой от года к году. Но эта глубина при неизменности климатических и других физико-географических условий колеблет­ся около некоторой постоянной средней величины.

Изменение глубины промерзания и протаивания с севера на юг зависит:

- от степени континентальности климата;

- от продолжительности зимнего охлаждения;

- от средней годовой температуры воздуха;

- от средней температуры самого холодного месяца;

- от амплитуды температур на поверхности;

- от суммы отрицательных температур;

- от характера грунтов, т. е. от того, представлены они валунами и гравием, или песком и глиной, или торфом и т. д.

Процесс сезонного промерзания и протаивания зависит от степени увлажнения вида грунта, а также от плотности и мощности снежного покрова, характера растительного покрова, увлажнения поверхности и др. Особую роль в сезонном промерзании играют моховой покров и торф. Мох и торф выступают как теплоизоляторы в сухом состоянии, вследствие обилия в них воздуха и как охладители, вследствие высокой гигроскопичности. Обилие воды благоприятствует испарению и, следовательно, охлаждению (скрытая теплота испарения воды в 7,25 раза больше, чем скрытая теплота плавления льда).

Фильтрация грунтов и глубина протаивания связаны причинно: чем больше фильтрация, тем больше глубина протаивания.

Глубина сезонного промерзания и протаивания, т. е. мощность деятельного слоя и его температурный режим, обусловлены тепло­обменом почвы с атмосферой. Мощность деятельного слоя зависит от теплооборотов и теплового баланса горных пород.

Если в течение ряда лет происходит увеличение глубины сезонного промерзания, которое не компенсируется соответственным увеличением глубины протаивания летом, происходит формирование обычно маломощных мерзлых горизонтов в породах, которые
могут существовать от одного года до нескольких лет и представляют собой прототип многолетнемерзлой толщи. Такие мерзлые горизонты называются перелетками.

В этом случае происходит превышение зимних теплооборотов в горных породах при отрицательных температурах над лет­ними теплооборотами при положительных температурах. При этом имеет место понижение среднегодовой температуры пород ниже 0°. Если теплообороты при положительных температурах снова ста­нут превышать теплообороты при отрицательных температурах, перелетки исчезнут.

Процессы, происходящие в деятельном слое. Дея­тельный слой — это такой горизонт земной коры, в пределах кото­рого совершаются наиболее активные, наиболее динамичные про­цессы преобразования горных пород: их дезинтеграция до фрак­ции пыли, формирование почвы, пучение грунтов, солифлюкция, все процессы, ведущие к образованию мерзлотного микрорельефа, сезонных гидролакколитов и т. д.

Особое значение имеет режим влажности грунтов деятельного слоя и особенно, если они представ­лены тонкозернистыми разностями - глинами, суглинками и т. п. Существенное значение имеют также плотность, характер сложения, условия залегания и характер грунтов (однородны литологически или разнородны).

Темпы сезонного промерзания различны. На севере скорость сезонного промерзания 1-3-5 см, в сутки. Полное промерзание достигается уже в ноябре — декабре. На юге при большой мощно­сти деятельного слоя сезонное промерзание происходит в течение всего периода охлаждения, т. е. всей зимы.

Темпы сезонного протаивания обычно более медленные.

Многолетняя мерзлота. Многолетняя мерзлота - это мерзлые горные породы, характеризую­щиеся температурой от 0° и ниже, содержащие в своем составе лед и находящиеся в таком состоянии в течение длительного времени - от нескольких лет до многих тысячелетий.

Многолетняя мерзлота на земном шаре распространена, главным образом, в полярных и приполярных областях, а также в высокогорных районах умеренных и даже тропических широт и занимает около 25% всей суши Земли. Это обширные территории на севере и северо-востоке Евразии и Се­верной Америки, это вся Гренландия и вся Антарктида. В России многолетняя мерзлота занимает около 60 % площади.
В Западной Европе многолетняя мерзлота возможна только в Альпах. В европейской части России мерзлота распространена на Крайнем Севере - в тундре и лесотундре. От Кольского полуострова, где она имеется только в северной его части, южная
граница мерзлоты идет к устью р. Мезени и далее почти по север­ному полярному кругу до Урала, смещаясь здесь довольно сильно к югу. В пределах Западной Сибири граница занимает почти широтное положение до р. Енисея вблизи устья р. Подкаменная Тунгуска, где она резко поворачивает на юг и, следуя вдоль правого берега р. Енисея, уходит за пределы России, отграничи­вая значительные районы Монголии. Снова южная граница многолетней мерзлоты появляется в России западнее Благовещенска, следуя на северо-восток примерно до 131°30' в. д., откуда опять поворачивает на юг, пересекает р. Амур вблизи устья р. Архары и снова уходит за пределы страны. Затем она еще раз появляется в России восточнее М. Хингана, далее идет на северо-восток и обрывается у берега Сахалинского залива. На полуострове Камчатка южная граница проходит с юго-запада на северо-восток примерно в середине полу­острова

По характеру распространения многолетняя мерзлота может быть разделена на три зоны: 1 - сплошная, 2 - мерзлота с островами талых грунтов и 3 - островная (острова мерзлоты среди талых пород).

Каждая из этих зон характеризуется различными мощностями и температурами мерзлых толщ. При этом и внутри зон мощности и температуры изменяются в направлении с севера, на юг - мощ­ности уменьшаются, температуры повышаются.

Зона сплошной многолетней мерзлоты характеризуется наибольшими мощностями мерзлых толщ - от 500 и более метров до 300 м и са­мыми низкими их температурами - от 2° С до 10° С и ниже.

Сплошная мерзлота в России развита: в северной части Большеземельской тундры, на Полярном Урале, в тундре Западной Сибири, в северной части Средне-Сибирского плоскогорья (к се­веру от долины р. Нижней Тунгуски), на всем Таймырском полу­острове, на островах архипелага Северной Земли, на Новосибирс­ких островах, на Яно-Индигирской и Колымской приморской равни­нах и дельте р. Лены, на Лено-Вилюйской аллювиальной равнине, на Лено-Алданском плато и в обширной области хребтов Верхоянского, Черского, Колымского, Анадырского, а также Юкагир­ского плоскогорья и других внутренних нагорьях, на Анадырской равнине.

В зоне, где среди многолетней мерзлоты встречаются острова талых пород, мощности мерзлых толщ иногда достигают 250-300 м, но чаще от 100-150 до 10-20 м, температуры от 2 до 0°С. Этот тип многолетней мерзлоты имеется в Большеземельской и Малоземельской тундре, на Средне-Сибирском плоскогорье между реками Нижняя и Подкаменная Тунгуска, в южной части Лено-Алданского плато, в Забайкалье.

Островная многолетняя мерзлота характеризуется малыми мощностя­ми мерзлых толщ - от нескольких десятков метров до не­скольких метров, а температурами - близкими к 0°С.

Островная мерзлота встречается на Кольском полуострове, в Канинско-Печорском районе, в таежной зоне Западной Сибири, в южной части Средне-Сибирского плоскогорья, на Дальнем Востоке, в северной части острова Сахалин, вдоль побережья Охотского мо­ря и на Камчатке.

В горной зоне от Саян до Копет-Дага и на Кавказе многолетнемерзлые породы встречаются главным образом по периферии районов оледенения и имеют чаще всего островное распространение. Присутствует мерзлота в породах, слагающих дно полярных шельфовых морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, на шельфе к северу от Аляски.

Значительны районы многолетней мерзлоты в Центральной Азии. Это области хребтов Гиндукуш, Восточного Тянь-Шаня, Нань-Шаня, Кунь-Луня, Гималаев и высокого плоскогорья Тибет.

На североамериканском континенте граница многолетней мерзлоты идет вдоль побережья Тихого океана, немного его не достигая, да­лее проходит по западному склону североамериканских Кордильер, пересекает их близ 53⁰ с. ш., круто поворачивает на север, следуя в этом направлении до 57° с. ш. Затем эта граница идет на юго-восток, достигает южного берега Гудзонова залива и, оставляя к северу полуостров Лабрадор, она выходит к бере­гу Атлантического океана.

К области многолетней мерзлоты относятся также острова Гренлан­дия и Исландия.

В южном полушарии многолетней мерзлотой охвачен весь материк Антарктиды, присутствует в высокогорных участ­ках Анд в Южной Америке. Африка и Австралия, полностью лишены многолетней мерзлоты.

Основные черты климата, которые характерны для районов рас­пространения мерзлой зоны, в целом следующие: отрицательная среднегодовая температура воздуха, сухие, холод­ные длительные зимы, короткое лето, малое количество осадков, особенно зимою. Характерно, следовательно, антициклональное состояние атмосферы зимой, которое благоприятствует малому ко­личеству осадков, большой прозрачности воздуха, сильным теплопотерям земной коры. Поэтому наиболее крупные территории, за­нятые мерзлотой в Евразии и Северной Америке, до не­которой степени совпадают с пространствами, занимаемыми азиатским и североамериканским антициклонами.

Гидрогеологические условия области многолетней мерзлоты. Подземные воды оказывают весьма существенное воздействие на формирование мерзлоты, многолетнемерзлые породы, в свою очередь, представляют собой мощный фактор в создании специфической гидрогеологической обстановки.

Возникновение толщи мерзлых пород может способствовать разобщению на части того или иного единого водоносного горизонта, создавать водоупоры, которых ранее не было заметно, нарушать взаимную связь поверхностных и подземных вод, локализовать места питания и разгрузки, приурочивая их к участкам таликов, изменять направление и скорость движения подземных вод и т. д. Тем самым в мерзлой зоне возникают совершенно особые условия размещения, питания, движения и разгрузки подземных вод.

Подземные воды оказывают влияние на тепловой режим горных пород. Они изменяют их теплофизические свойства. Движение подземных вод вызывает конвективные тепловые потоки. Вследствие взаимодействия конвективного переноса тепла с кондуктивным потоком тепла, идущим из земных недр, происходит перераспределение тепловой энергии в горных породах, отчего меняется их температурное поле и сами условия развития мерзлоты.

Промерзание водоносных горизонтов приводит к своеобразному распределению льда в горных породах, которое зависит главным образом от степени водонасыщенности горизонта, состава пород, также от того, какова их водопроницаемость обусловленная пори­стостью, трещиноватостью и т. д. Кроме того, вследствие неравномерного промерзания, в водоносных горизонтах часто воз­никают значительные напряжения и внутрипластовое давление, вследствие чего вода может перемещаться под давлением в сторо­ну участков с меньшим внутрипластовым давлением. В данном случае могут возникать разрывы кровли и излияние воды на по­верхность с образованием наледей. Если прорыва кровли не происходит, то образуются скопления льда в виде достаточно крупных тел — пластовых или лакколитообразных. Гидролакколиты, форми­рующиеся близ земной поверхности, проявляются в рельефе в виде выпуклых бугров пучения.

Классификация подземных вод:

1. Надмерзлотцые воды, содержащиеся в талых породах над кровлей мерзлоты, Среди них выделяются воды: а) деятель­ного слоя и б) многолетних несквозных таликов (подрусловых, подозерных,так называемой несливающейся мерзлоты).

2. Воды таликовых зон, находящиеся в сквозных таликах, ог­раниченных мерзлыми породами с боков. Таликовые зоны служат основными путями, по которым происходит связь между поверхно­стными, подмерзлотными и межмерзлотными водами. Через эти зо­ны идет питание и разгрузка различных типов подземных вод.

3. Подмерзлотные воды являются водами первого от основания многолетнемерзлой толщи водоносного горизонта или водоносной трещи­новатой зоны. Среди этих вод выделяются контактирующие и не­контактирующие. Первые находятся с мерзлой толщей в том или ином непосредственном взаимодействии, вторые - не связаны с ней непосредственным взаимодействием, т. е. залегают на значи­тельной глубине от нее.

4. Межмерзлотные воды, содержащиеся в талых породах, за­ключенных между горизонтами мерзлых пород.

5. Внутримерзлотные воды, содержащиеся в локализованных участках талых пород, со всех сторон ограниченных мерзлыми породами. Эти воды изолированы от какого бы то ни было взаимо­действия с другими типами подземных вод.

Дата добавления: 2014-01-03