Что такое многолетняя мерзлота. Многолетняя (вечная) мерзлота Многолетняя мерзлота

Материал из Юнциклопедии

Мерзлые породы (грунты, почвы) имеют температуру ниже 0°С; часть воды или вся вода в них находятся в твердом, кристаллическом состоянии. В средних широтах промерзает зимой лишь небольшой поверхностный слой. Здесь распространена сезонная мерзлота. Иное дело - в северных широтах. Зима здесь долгая, морозная. Коротким летом земля оттаивает лишь с поверхности до глубины 0,5-2 м. Этот слой называется деятельным. Ниже его в породах круглый год сохраняются отрицательные температуры. Или, другими словами, сохраняется многолетняя (вечная) мерзлота.

Мерзлые толщи распространены на Земле преимущественно в заполярных районах. Крупнейшие области вечной мерзлоты - Сибирь, северная часть Северной Америки.

Территории, где распространена вечная мерзлота, называют еще областью подземного оледенения.

Область вечной мерзлоты Занимает более пятой части всей суши, а в нашей стране - чуть меньше половины всей территории. Однако мерзлые породы распространены здесь не повсеместно. В долинах крупных рек, под большими озерами и по зонам тектонических трещин, где циркулируют подземные воды, толщи многолетнемерзлых пород прерываются. Образуются так называемые талики. Кроме того, на больших пространствах (по южным окраинам области вечной мерзлоты и в горах, например в Гималаях) существует островная мерзлота в виде отдельных пятен.

В мерзлых породах лед становится своеобразным породообразующим минералом. Встречаются прослои, линзы, жилы, клинья, а то и многометровые пласты так называемого ископаемого (каменного) льда.

В условиях вечной мерзлоты образуются своеобразные мерзлотные, или криогенные (созданные льдом), формы рельефа. При сильных морозах земля с поверхности растрескивается, в морозобойные трещины проникает вода. Замерзая, она расширяет трещины и образует клиновидные ледяные жилы. Их ширина достигает нескольких метров, а длина и глубина-десятков метров. Иногда встречаются участки, где преобладают льды, а минеральный грунт находится в виде столбов между рядами ледяных клиньев. Возможно, крупные ледяные жилы возникают при внедрении и замерзании воды из таликов в мерзлые породы (вопрос этот остается нерешенным).

Порой образующаяся линза льда и поступающая снизу вода приподнимают залегающие выше грунты, возникает бугор вспучивания, называемый гидролакколитом или бул-гунняхом. В Якутии бугры достигают 25- 40 м высоты и 200-300 м ширины. Иногда давление льда и заключенной в нем воды прорывает грунт, вода вырывается на поверхность и, замерзая, образует наледь. Обычно наледи образуются в местах выхода на поверхность подземных вод и приурочены к расширенным участкам речных долин, к подножиям склонов, где выходят на поверхность ручьи, и т. д.

Под влиянием попеременного промерзания и оттаивания почв и горных пород на склонах, а также силы тяжести деятельный слой начинает медленно течь, сползать даже с пологих склонов со скоростью от сантиметра в год до сотен метров в час. Этот процесс называют солифлюкцией (от латинских слов «почва» и «истечение»). Он развит в полярных и высокогорных районах, где мерзлота препятствует просачиванию воды и она переувлажняет верхние горизонты коры выветривания. На склоне появляются потоки, языки, шлейфы сплывшего грунта, террасовидные уступы, а на ровных поверхностях - мари - особый тип мерзлотных низинных болот.

Когда мерзлые грунты протаивают, они оседают, образуя западины с озерами. Это термокарст. В северных районах мерзлотной зоны на плоской поверхности тундры встречаются оригинальные формы микрорельефа, которые называются полигональными. Образуются они в однородном мелкоземлистом или илистом грунте в виде многоугольников (обычно пяти-шестигранных) диаметром до нескольких метров, разделенных морозобойными трещинами; центры полигонов обычно заболочены, а края отличаются сухостью.

Мерзлотные процессы очень осложняют строительство и эксплуатацию зданий, дорог, мостов, туннелей, аэродромов. Приходится, по возможности, сохранять мерзлые грунты в естественном, природном состоянии. С этой целью устраивают холодные подполья, ставят здания на опоры, прокладывают охлаждающие трубы, погружают сваи в пробуренные скважины и т. д. Но мерзлота становится помощником человека, когда в ней устраиваются (или намораживаются) склады, огромные естественные холодильники.

На вопрос значение Многолетний мерзлоты заданный автором Посохнуть лучший ответ это «Вечная мерзлота» (Многолетняя криолитозона) - часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общей площадью 35 млн км². Распространение - север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана.
Районы вечной мерзлоты - верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2-3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне вечной мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1000 метров.
Вечная мерзлота - явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Единственные материки, где вечная мерзлота отсутствует, - это Австралия и Африка. Значительная часть вечной мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьирует от нескольких до 90 %. В вечной мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности гидрата метана.
Одно из первых описаний вечной 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.
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. В последствии 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 вечной мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.
Самый глубокий предел вечной мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания вечной мерзлоты - 1370 метров, зафиксирована в феврале 1982 года.
Учёт вечной мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере. Так, большие дома в районах севера строятся по специальным технологиям, в частности, построенную коробку панельного дома оставляют на несколько лет, чтобы дом устоялся. Если почва под ним начинает плыть, то его разбирают и собирают в новом месте.
Вечная мерзлота создает 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 промерзшие породы обладают исключительно высокой вязкостью, и их сложно добывать. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось построить в Якутии уникальные карьеры (например, карьер трубки Удачная) с почти отвесными стенками) . Борта этих карьеров держит лёд, а в более теплом климате они бы неизбежно поплыли.
Строительство в зоне вечной мерзлоты
Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена.

Ответ от Простодушный [новичек]
Вечная мерзлота, это грунты которые содержат замерзшую воду и имеют температуру ниже нуля. В этой статье мы поговорим о том, что такое вечная мерзлота и какие типы местности различают в зависимости от условия зоны распространения вечно мерзлых грунтов.
Вечная мерзлота всегда содержит лед, который может содержаться в виде кристаллов в порах между частицами грунта или в виде толстых ледяных прослоек в толще грунта. При оттаивании мерзлые грунты содержащие значительное количество льда оказываются избыточно увлажненными. Поэтому здания и сооружения которые возводятся на таких грунтах претерпевают значительную осадку.
Слой грунта который в холодный период года замерзает а по весне оттаивает называют деятельным слоем. Если такой слой соединяется с поверхностью зоны вечной мерзлоты, тогда такая поверхность называется сливающейся. Мощность пласта деятельного слоя зависит от экспозиции склонов, от рельефа местности от влажности и состава грунтов.
Также зависит от климатических факторов и растительного покрова. Грунт оттаивает в большей степени с южной стороны на склонах чем с северной стороны. Травяной покров, деревья и кустарники способствуют тому, что вечная мерзлота расположена под ними ближе чем на других открытых участках. Это объясняется тем, что они создают тень, которая препятствует оттаиванию вечно мерзлого грунта в глубину.
Например в торфяно-моховых болотах которые имеют глубину от 10 сантиметров до нескольких метров, даже в теплое время года уровень мерзлого грунта расположен на глубине не дальше одного метра. Мощность деятельного слоя в среднем составляет от 1 до 2 метров в песчаных грунтах Крайнего Севера. В глинистых и торфяно-болотных от 0.39 до 1.29 метра. В южных районах мерзлых грунтов глубина деятельного слоя может достигать 2.5-4.5 метров. Вечная мерзлота распространяется на 47% территории бывшего Советского Союза. В зависимости от условия зоны распространения вечной мерзлоты различают следующие типы местности:
1. Места сухие с обеспеченным поверхностным стоком. Такими местами могут быть крутые склоны сопок, каменистые возвышенности, участки с близким залеганием твердых скальных пород и другие. Такие грунты не меняют свои свойства при замерзании или оттаивании. При обеспеченном поверхностном стоке талых вод мощность деятельного слоя на таких участках составляет от 2.5 метра и выше.
2. Сырые места с избыточным увлажнением местности в отдельные периоды года и признаками поверхностного заболачивания. Такими местами могут быть пологие склоны гор южной экспозиции, плоские водоразделы, сложенные песчаными и глинистыми просадочными грунтами с относительной влажностью 0.71-0.91 от предела текучести. При необеспеченном поверхностном стоке летнее оттаивание грунта не превышает 2.5 метра.
Более подробную информацию вы найдете тут: ссылка

На значительной части суши - на 25% ее площади, там, где средние годовые температуры отрицательные, на некоторой глубине от поверхности породы многие годы имеют отрицательную температуру. Слои пород с отрицательной температурой называются многолетнемерзлыми слоями - многолетней («вечной») мерзлотой. Многолетняя мерзлота может быть сухой, не содержащей воды, но значительно чаще она содержит замерзшую воду, а иногда в ней присутствует и жидкая вода.
Граница многолетней мерзлоты на материке Евразии делит Кольский п-ов на северную (большую) и южную (меньшую) части и от горла Белого моря по полярному кругу идет к Уралу. На Уральских горах граница резко изгибается к югу, а затем выходит на Западно-Сибирскую равнину и пересекает ее от Оби (г. Тобольск) до Енисея (устье Подкаменной Тунгуски). По правому берегу Енисея граница спускается на юг, захватывает часть территории Монгольской Народной Республики, снова выходит на территорию России у г. Благовещенска и, делая небольшой изгиб к югу, поворачивает к Татарскому проливу. Граница многолетней мерзлоты проходит по Камчатке таким образом, что за ее пределами остается только полоса вдоль берега южной половины полуострова. В Северной Америке многолетняя мерзлота занимает бассейны Юкона, Макензи, Гудзонова залива и северную половину Лабрадора (рис. 86).
Многолетняя мерзлота отмечена на арктических и антарктических островах. Вопрос о наличии многолетней мерзлоты на суше, покрытой материковыми льдами (Гренландия, Антарктида), пока нельзя считать выясненным.
Граница многолетней мерзлоты подвижна. В настоящее время отмечается некоторое отступление ее к северу.
На территории, расположенной внутри границы распространения многолетней мерзлоты, выделяются области со сплошной мерзлотой, области с таликами и островная 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 53 0 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.

Многолетняя мерзлота имеет широкое распространение и находится главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура.Происхождение вечной мерзлоты до настоящего времени еще неясно. Первые исследователи считали вечномерзлые породы остатком древних оледенений. Наличие ископаемого льда и теория фазовой завесы могли служить подтверждением таких взглядов. Однако в настоящее время установлено несовпадение между границами оледенений и современными границами залегания вечномерзлых пород. Такие исследователи, как Мидендорф и Г.Вильде, связывали образование вечной мерзлоты с местными климатическими условиями.

Замечено, что выше уровня моря на каждые 200 м подъема среднегодовая температура падает примерно на 1 °С.Вечная мерзлота, по мнению Г.Вильде, могла образоваться в районах со среднегодовой температурой -2°С и ниже.Современные границы залегания вечномерзлых пород достаточно близко отвечают этому условию. М.И.Сумгин исходит из того, что в конце плиоцена начались сильные похолодания. Периодически повторяясь, эти похолодания вызвали дефицитный баланс тепла и обусловили появление многолетней мерзлоты. По времени эти похолодания могли быть связаны с оледенениями первой половины четвертичного периода.

Таким образом, М.И. Сумгин как бы обобщает предыдущие гипотезы.Однако следует считать, что происхождение многолетней мерзлоты пока еще не выяснено окончательно.Исследования, которые проводятся в настоящее время, вероятно, дадут возможность решить этот вопрос.

Происхождение вечной мерзлоты

Мерзлые породы независимо от своего состава, как правило, водонепроницаемы.Поэтому подземные воды в областях залегания вечномерзлых пород можно разделить на три основных типа: подмерзлотные, межмерзлотные и надмерзлотные.
Подмерзлотные воды, залегающие ниже слоя вечномерзлых пород, по своим свойствам практически не отличаются от подземных вод в обычных условиях. В более северных широтах они развиты в коренных породах, а в более южных-в аллювиальных отложениях долин.Подмерзлотные воды часто обладают напором и могут быть использованы в качестве источника водоснабжения.

Межмерзлотные воды залегают в слое вечномерзлых пород.Как правило они приурочены к местным таликам и представляют собой изолированныескопления воды, иногда имеющие связь с подмерзлотными и надмерзлотными водами.Запасы межмерзлотных воды весьма ограничены, так как объем таликов, к которым они приурочены, незначителен.Вне таликов межмерзлотные воды могут встречаться в твердой фазе, образуя ископаемый лед.

В условиях слоистой серзлоты эти воды могут образовать сплошной водоносный горизонт и быть напорными или ненапорными, так же как и межпластовые воды в обычных условиях.В отдельных случаях возможно движение межмерзлотных вод по трещинам и другим нарушениям в толще мерзлоты. Такие воды могут быть уподоблены трещинным водам немерзлых зон.

Надмерзлотные воды представляют наибольший интерес. По характеру залегания они подобны грунтовым, так как имеют водонепроницаемое мерзлое ложе и свободную поверхность (рис-1).В районах сливающейся мерзлоты надмерзлотные воды являются сезонно промерзающими, превращаясь в зимнее время в лед.В районах несливающейся мерзлоты эти воды могут быть сезонно полупромерзающими, когда замерзает их только их верхняя часть находящаяся в деятельном слое, или непромерзающими в тех случаях когда весь водоносный горизонт находится в талике.

Рисунок-1. Схемы залегания надмерзлотных вод:

а-сезоннопромерзающая; б-сезоннополупромерзающая; в-сезоннонепромерзающая;

Движение надмерзлотных вод вызывается прежде всего теми же причинами и происходит по тем же законам, что и движение подземных вод в немерзлотных условиях и кроме того, давлением развивающимся в замкнутом пространстве, так как заключенная в нем вода замерзает и увеличивается при этом в объеме примерно на 9%.В мерзлотных условиях этот вид движения надмерзлотных вод имеет очень большое значение.

Известно, что вода замерзающая в замкнутом пространстве, может быть переохлаждена и находится в силу этого под большим давлением.Насколько велика сила давления переохлаждения, видно из известного примера с заготовкой льда в ящике. Для заготовки льда ящик размерами 30 х 10 х 6 м сразу заполнили водой, вместо того чтобы последовательно заливать ее и замораживать тонкими слоями. Вода начала замерзать сразу со всех сторон, а ее внутренняя часть оказалась под огромным давлением и, вероятно, в состоянии переохлаждения.

Произошел взрыв громадной силы, выбросивший глыбы льда объемом по несколько кубических метров на расстоянии до 20-30 м.Более мелкие куски льда были отброшены на еще большие расстояния.Из сказанного видно, что напор переохлаждения является достаточным для того, чтобы вызвать движение воды.

Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлых пород

Наледи:

Как уже было указано, вода заполняющая поры нескальных пород, при замерзании играет роль достаточно прочного цемента и превращает породу в твердую монолитную массу.Этот процесс сопровождается изменением объема породы при замерзании и оттаивании и характеризуется величиной относительного сжатия δ.При переходе мерзлого грунта в оттаявшее состояние δ представляет отношение изменения толщины слоя грунта при оттаивании под нагрузкой к его первоначальной толщине и выражается формулой:

δ=(hm-ht)/hm=(em-et)/(1+em) (1)

где hm-толщина слоя мерзлого грунта; ht-толщина слоя того же грунта после перехода в оттаявшее состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении; em-коэффициент пористости породы природного сложения в мерзлом состоянии; et-коэффициент пористоти породы природного сложения после ее перехода в талое состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении. Для глинистых пород et определяется при влажности на границе текучести, для песчаных -при оттаивании образца безвстряхиваия в условиях свободного стекания талой воды. при достаточно больших значениях δ в случае оттаивания мерзлого слоя происходит резкое уменьшение занятого им объема, что в свою очередь, вызывает значительные просадки.

Очевидно что если известны величина относительного сжатия мерзлого грунта при оттаивании δ и мощность возможного протаивания мерзлоты h, то суммарная величина просадки при протаивании S=δh.В процессе перехода деятельного слоя из талого состояния в мерзлое и обратно возникает ряд инженерно- геологических явлений.Широко распространены наледи, ледяные бугры (булгуняхи),солифлюкция, термокарст и другие. Наледи образуются подземной водой, вырывающейся зимой на поверхность.В замерзающей надмерзлотной воде развивается высокое давление.

Переохлажденная вода взрывает образовавшуюся корку льдонасыщенной породы, вырывается на поверхность и в силу состояния переохлаждения немедленно замерзает.Наледи образуют громадные скопления льда в виде натеков и сталактитов по склонам местности, перекрывают полотно дорог.Отмечены случаи, когда замерзающие подземные воды прорывались в подполья и нижние этажи домов образуя в них наледи и вытекали из окон домов своеобразными ледопадами.

Образование наледей на проезжей части дорог объясняется тем, что за счет уплотнения снегового покрова увеличивается глубина промерзания и следовательно, увеличивается давление в замерзшей воде. Для борьбы с образованием наледей на дорогах рекомендуется прокапывать канавы или просто счищать снег вкрест потока подмерзлотных вод. В этих местах образуются зоны более глубокого промерзания, поток надмерзлотных вод будет задержан и образование наледей будет происходить в стороне от защищаемого места.

Наледи имеют самую разнообразную форму и по размерам занимают площади от нескольких десятков квадратных метров до нескольких квадратных километров.И.В. Попов указывает, что известна наледь площадью 20,5 км2 и мощностью 4,5-5,5 м. М.И. Сумгин отмечает в ходе развития наледей четыре стадии:

1) первые дни наледи -лед тонкий, размеры невелики;

2) наледь крепнет, быстро растет в длину и ширину, появляются ледяные бугры;

3) наледь достигает предельной длины и ширины; мощность ее продолжает расти; ледяные бугры раскалываются, из некоторых льется вода; при образовании трещин происходят взрывы, глыбы льда весом до 200 т отбрасываются на расстояние до 10 м и более;

4) наледь тает, рост прекращается, поверхность покрывается углублениями, каналами, рвами, бугры проседают; таяние начинается с весны, но в северных районах затягивается до июля и августа.Иногда наледи сохраняются до зимы и превращаются в многолетние.Если замерзающая вода, поднимаясь по трещинам, не может пробиться на поверхность, то она поднимает верхний слой земли, образуя бугор, (булгунях).Внутри такого бугра имеется купол льда (гидролакколит).

Иногда внутри гидролакколита имеется полость заполненная водой. Деревья поднятые с почвой при образовании бугра наклоняются в разные стороны, образуя пьяный лес. Размеры таких ледяных бугров в поперечнике достигают 80 м и более, а высота их доходит до 10 м в южных и до 30 м в северных районах.

В отдельных зонах залегают большие количества ископаемого льда перекрытого позднейшими отложениями осадочных пород.Ископаемый лед встречается на островах Ледовитого океана и на севере Азиатского материка.Так как отложения, перекрывающие его, по большей части являются моренными, то некоторые исследователи считают, что эти льды представляют погребенные остатки древних ледников.По мнению Попова И.В. , трещинный или жильный, ископаемый лед и ледяные клинья образовались параллельно с накоплением пойменных осадков аллювиальных долин в условиях суровых и малоснежных зим.

Вытаивание подземного льда и протаивание льдистых вечномерзлых грунтов в верхней части многолетнемерзлой зоны вызывают проседание поверхности и образование форм рельефа, по внешнему виду сходных с поэтому такие явления получили название термокарстовых. В зонах развития термокарста встречаются провалы и воронки размером от одного до нескольких метров в диаметре, западины, блюдца и ложбины -пологие понижения, достигающие сотен метров в диаметре и всего лишь десятков сантиметров в глубину, котловины оседания площадью до нескольких квадратных километров при глубине в несколько метров.

Образовавшиеся впадины могут заполняться водой, образуя термокарстовые озера, играющие существенную роль в дальнейшем развитие термокарста.Термокарстовое озеро является как бы тепловой защитой, вызывающей утепление донных отложений.В связи с этим увеличивается глубина донного протаивания, что в свою очередь вызывает развитие термокарста. Первопричиной возникновения термокарстовых явлений служит обнажение поверхности деятельного слоя в результате вырубки леса или распахивания почвы.

Эти явления могут также возникнуть в результате потепления климата. Термокарст в более слабой степени может наблюдаться во всех районах залегания ледяных линз и прослоек при их таянии. При оттаивании льдонасыщенные илистые и глинистые грунты переходят в разжиженное состояние.Такие грунты переувлажненные талыми и дождевыми водами, при углах склона 3-5° начинают течь, образуя натеки, уступы, борозды, террасы и другие формы микрорельефа.Такие явления называются солифлюкцией.

На Крайнем Севере, вдоль Северного побережья, солифлюкция является одним из важнейших факторов в переработке и выравнивании рельефа. В ряде случаев она вызывает образование сложных ступенчатых склонов -нагорных террас.Высота склонов таких террас достигает несколько десятков метров, а крутизна составляет 25-30° и в отдельных случаях доходит до 90 °. Горизонтальные площадки, покрытые солифлюкционными натеками мощностью до 4 м, простираются на сотни метров.

Инженерно-геологические условия строительства в криолитозонах

Своеобразный термический режим в криолитозонах требует особых методов строительства.В настоящее время, в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности изменения свойств грунтов основания в требуемом направлении принимается один из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий и сооружений:

принцип I-вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течении всего заданного периода эксплуатации здания или сооружения;
принцип II-вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации здания или сооружения или и их оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения здания).

Выбор того или иного метода зависит не от желания проектировщиков, а от конструктивных и термических характеристик возводимых зданий и сооружений и от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых грунтов (пород).Поэтому в итоге инженерно-геологические изучения толщ мерзлоты должны быть получены данные о возможности осуществления того или иного метода строительства.

Строительство с сохранением режима вечной мерзлоты является наиболее удобным во многих отношениях.Толщи вечномерзлых пород обладает многими свойствами скальных массивов, поэтому сооружения, фундаменты которых заделаны в мерзлую толщу, получают достаточную устойчивость. Однако любое здание или сооружение передает через фундаменты известное количество тепла.

В зданиях и сооружениях, выделяющих малое количество тепла, возможны такие конструктивные решения фундаментов, при которых температурный режим сжимаемой толщи грунтов практически не изменяется. Все эти конструктивные мероприятия сводятся к тому, чтобы тепло, выделяемое зданием, поглощалось в пределах деятельного слоя и не распространялось на мерзлую толщу.

Тем не менее даже в таких условиях деятельный слой непосредственно под зданием может зимой не промерзнуть.Такой участок будет более слабым по сравнению с окружающими, и в тех случаях, когда в данной местности возможно образование наледей, наледи будут прорываться в подполья и нижние этажи здания.Значительная часть промышленных и гражданских зданий выделяют такие количества тепла, которые неизбежно ведут к нарушению температурного режима мерзлых слоев.

Кроме того во многих промышленных зданиях возможны вибрации от установленных машин. Вибрационная нагрузка способна нарушать прочность льда и переводить его некоторую часть в такое состояние. В таких случаях строительство по методу сохранения температурного режима мерзлых толщ невозможно и следует предусмотреть возможность предварительного или последующего оттаивания. Оттаивание мерзлой толщи резко изменяет не только физико-механические характеристики пород, но и их объем.

Возникает проседание массы грунта под сооружением, в результате чего сооружение теряет устойчивость и прочность. При инженерно-геологических исследованиях в этих последних случаях возникают две задачи: установить возможность применения метода последующего оттаивания и установить зону (или как говорят, чашу) возможного протаивания(рис-2).

Рисунок-2. Образование чаши протаивания под зданием:

tп-температура в помещении; tм-начальная температура мерзлого грунта; b-ширина здания; hc-глубина протаивания под серединой здания; hk-глубина протаивания под краем здания; ξk-величина протаивания сбоку здания.

Для осуществления строительства по методу последующего оттаивания необходимо, чтобы в пределах чащи протаивания не содержалось отдельных скоплений льда в виде линз, штоков и прочее.Оттаивание таких ледяных включений приведет к местному резкому (примерно на 10%) уменьшению объема грунта и вызовет просадку соответствующей части здания или сооружения. Поэтому при исследованиях необходимо особо тщательное изучение строения мерзлой толщи.