Геологические процессы в зоне вечной мерзлоты

 

1.6. КРИОГЕННЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА

 

Криогенный  рельеф син. Мерзлотный рельеф – комплекс форм рельефа, характерный для областей развития многолетнемерзлых пород. По генезису выделяется несколько групп криогенного рельефа: 1) с морозобойным трещинообразованием связано образование полигонального рельефа. Он формируется системой пересекающихся трещин, по которым растут жильные и повторножильные льды. Поверхность земли при этом разбита на полигоны с количеством сторон от 3 (редко) до 6-ти и с поперечником от первых м до нескольких десятков м. В начале формирования жил льда полигоны оконтурены трещинами, затем в стадии роста — валиками, а в стадии разрушения — ложбинами, часто обводненными; 2) неравномерность криогенного пучения пород при промерзании (сезонном и многолетнем) приводит к формированию пучинистого рельефа. Наиболее характерная форма — бугор пучения, связанный с неравномерным льдообразованием в породах. Размеры бугров до нескольких десятков м высотой и до нескольких сотен м диаметром в основании. По преобладающему механизму льдообразования выделяются булгунняхи , гидролакколиты и бугристые торфяники; 3) морозная сортировка материала, контролируемая системой трещин, приводит к возникновению криоструктурного рельефа. В зависимости от степени неоднородности пород, их увлажненности, уклона поверхности и др. факторов образуются различные формы структурных грунтов — каменные кольца и многоугольники, а также каменные и мелкоземистые полосы, в развитии которых принимают участие и солифлюкционные процессы; 4) вязкопластичное течение увлажненных грунтов в условиях промерзания и протаивания создает солифлюкционный рельеф — солифлюкционные террасы, солифлюкционные потоки, солифлюкционные валы или гряды; 5) процессы морозного выветривания играют основную роль в формировании нивального рельефа. Для него характерны нивальные кары, цирки, ниши, уступы, нагорные террасы; 6) при вытаивании подземного льда, содержащегося в горных породах, и проседании поверхности формируется термокарстовый рельеф. Он отличается морфологическим разнообразием — это байджерахи и полигонально-бугристый рельеф, образующийся при вытаивании повторножильных льдов, термокарстовые котловины, запади, блюдца, провалы, воронки, термокарстовые озера, термокарстовые ложбины. Развит в области современного и былого распространения многолетнемерзлых пород.

 

1.7.ТЕРМОКАРСТ

 

Термокарст (от др. греч. θέρμη — Тепло и нем. Karst — карст, явления, связанные с растворением природными водами горных пород) — процесс неравномерного проседания почв и подстилающих горных пород вследствие вытаивания подземного льда; просадки земной поверхности, образующиеся при протаивании льдистых мёрзлых пород и вытаивании подземного льда. В результате образуются западины, провалы, аласы. Преимущественно распространен в области развития многолетнемёрзлых горных пород. Термин введён М. М. Ермолаевым.

Необходимым условием развития термокарста  является наличие подземных льдов  в виде мономинеральных залежей  или текстурообразующего льда в  рыхлых отложениях. Достаточным условием для начала развития термокарста  или причиной возникновения термокарста  служит такое изменение теплообмена  на поверхности почвы, при котором либо глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания поземного льда или сильнольдистых многолетнемерзлых пород, либо происходит смена знака среднегодовой температуры и начинается многолетнее оттаивание мерзлых толщ. Процесс развития термокарста по-разному протекает в случае оттока воды и из термокартстовых понижений и в случае обводнения понижений. Когда вода не скапливается в понижении (сточный термокарст), процесс носит затухающий характер. Термокарст обычно прекращается, когда оттаявшие осадки оседают на дне в виде кочек и других блоков породы, закрывают не вытаявшую льдистую породу, затем сносятся мелкозёмом, зарастают и промерзают сверху и снизу, со стороны мерзлой породы. Если отложения сезонноталого слоя эродируются (выносятся водой), то вытаивание подземных льдов может возобновиться и прогрессивно развиваться. В этом случае термокарст обычно сопровождается процессом термоэрозии.

При зарождении бессточного термокарстового  понижения процесс развивается  иначе. Появление в понижении  воды, аккумулирующей солнечное тепло, приводит к повышению температуры  поверхности пород дна водоема, что в свою очередь обычно обуславливает  увеличение глубины сезонноталого  слоя. При этом происходит дальнейшее вытаивание подземного льда (ледяных  жил, пластовых залежей и проч.) и углубление водоема. В итоге  это может привести к полному вытаиванию подземного льда и возникновению под водоёмом несквозного (при малой мощности мерзлоты — сквозного) подозерного талика. Развитие бессточного термокарста возможно в любых, даже самых суровых, мерзлотных условиях.

Формы термокарстового рельефа и микрорельефа зависят от того, какие типы льдов и льдистых пород подвергаются оттаиванию, а также от особенностей распространения льда в мерзлых породах, форм их локализации и т. д. В Западной Сибири, где термокарст развивается главным образом на участках, содержащих пластовые залежи подземных льдов, термокарстовые котловины называются хасыреями. В Якутии такие котловины, образовавшиеся при вытаивании пород «ледового комплекса» с повторно-жильными льдами, носят название аласов. Если вытаивание жил происходит при хорошем оттоке воды, а блоки пород, вмещающие жилы льда, сложены малольдистыми достаточно прочными породами, то формируются останцы пород — байджерахи.

Термокарстовые формы рельефа  наиболее широко распространены в субарктическом поясе северных приморских низменностей. С удалением на юг признаки развития процесса постепенно затухают. За пределами термокарста встречаются реликтовые термокарстовые формы рельефа, часто существенно преобразованные процессами денудации, эрозии и т. д.

 

2.ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ

 

Образование грунтового льда связано с процессами сезонного промерзания

и оттаивания верхнего слоя почв и грунтов. Закономерности промерзания и оттаивания определяются целым рядом факторов, включающим в себя температурный режим, величину снежного покрова, состав пород и их влажность.

Наибольшие  глубины промерзания наблюдаются  в северных областях.

Приповерхностный  слой периодического промерзания и оттаивания носит название деятельного слоя.

Ниже деятельного  слоя на обширных пространствах Сибири и Северной

Америки развиты  многолетнемерзлые горше породы (ММП), не оттаивающие в летний период. Эта мерзлота образовалась в иных, чем сегодня, значительно более суровых климатических условиях четвертичного периода. Об этом, в частности, свидетельствует присутствие в подобных толщах сохранившихся останков древних млекопитающих. Зона развития ММП носит название мерзлой зоны литосферы, или криолитозоны.

В свою очередь  паука, изучающая криолитозону и  связанные с ней процессы, называется мерзлотоведением, или геокриологией.

Являясь относительно молодой областью знаний, геокриология получила

широкое, развитие, начиная со второй половины XX в. в связи с интенсивным освоением труднодоступных северных территорий.

 

2.1. ПЛОЩАДЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ММП

 

Она составляет около 25 % всей суши земного шара и  более 50 % площади России. Вечная мерзлота наиболее широко распространена на территории Западной и Восточной Сибири, на Аляске, в Канаде и на островах Северного Ледовитого океана. При этом южная граница криолитозоны проходит там, где горные породы имеют нулевую температуру на подошве слоя годовых колебаний.

В России южная  граница распространения мерзлоты протягивается от Архангельска вдоль 65° с. ш. до долины Енисея, далее на юг от городов Канска и Нижнеудинска, затем через Иркутск и южную часть озера Байкал уходит на территорию Монголии и, возвращаясь у реки Амур, выходит к Охотскому морю.

Для южной  части криолитозоны характерно островное  распространение

ММП. Мерзлота здесь представлена в виде отдельных  островов, разделенных талыми водами (таликами). Выделяются зоны редкоостровного, островного, массивноостровного и прерывистого распространения мерзлых толщ. При этом в северном направлении при переходе от редкоостровной к массивноостровной и прерывистой зонам возрастает как мощность ММП (от 5-15 до 100 м и более), так и площади самих островов относительно выделяемых участков (от 5 до 80 %).

Севернее  располагается зона сплошного распространения  ММП с мощностями

от 100-200 м и до 1,5 км.

В зоне сплошной мерзлоты сквозные и несквозные талики приурочены

только к  площадям развития крупных рек и  водоемов. В горных районах (Алтай, Саяны и др.) развито подчиненное вертикальной зональности высотно-поясное распространение мерзлых пород с мощностями от 100 до 1000 м и более.

 

2.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

 

Разрез содержит ряд элементов. Деятельный слой включает почвы, а часто и подстилающие их рыхлые отложения. Содержащаяся в этом слое вода, замерзающая зимой и оттаивающая летом, носит название надмерзлотной. Мощность деятельного слоя меняется от нескольких сантиметров до нескольких метров. Слой многолетней (вечной) мерзлоты образован обычно рыхлыми или трещиноватыми породами, пронизанными льдом.

По данным В. А. Кудрявского, Н. Н. Романовского и  других исследователей, льды, формирующиеся в горных породах могут быть подразделены на четыре основные группы: погребенные, повторно-жильные, инъекционные и конституционные. Погребенный лед образуется при захоронении снежников и подземных льдов, повторио-жилъныи — при многократном заполнении снегом или водой морозобойных трещин, захватывающих как ММП, так и деятельный слой.

Инъекционные  льды возникают при замерзании подземных вод, внедряющихся под напором в толщу мерзлых пород. И наконец, конституционный лед образуется в результате промерзания влажных дисперсных

пород.

В толще мерзлых  пород, в трещинах, порах и таликах  содержатся мерзлотные воды. Принято выделять межмерзлотные воды, обычно имеющие гидравлическую связь с другими типами вод, криолитозоны и внутримерзлотные воды, ограниченные со всех сторон ММП.

К таликам относятся не охваченные мерзлотой участки слоя многолетней

мерзлоты. Их образование вызвано  оттаиванием льда нагретыми вблизи поверхности водами, общим потеплением  климата или неравномерным распределением тепла. Талики нередко служат каналами, по которым соединяются подмерзлотные и надмерзлотные воды.

Формы и размеры  таликов разнообразны: это могут  быть линзы, гнезда,

трубы, озера вытаивания подземных  льдов и т. д.

Под слоем  вечной мерзлоты обычно присутствуют подмерзлотные воды, которые не замерзают и представляют собой различные разновидности межпластовых напорных вод. Эта вода нередко используется для водоснабжения, в частности в Якутском арктическом бассейне, где напорные воды находятся в нижнеюрских песчаниках под 215-метровой толщей мерзлых отложений.

 

2.3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ММП

 

С областями  развития ММП связан целый комплекс самостоятельных

геологических процессов. Это морозное пучение и образование повторно-жильных льдов, солифлюкция и курумообразование, термокарст,

термоэрозия и термоабразия.

Изучение  особенностей протекания этих процессов  имеет не только

научное, но и важное практическое значение. Динамика криогенных процессов нередко столь велика, что их недоучет способен привести к возникновению целого ряда инженерных и экологических проблем. Это прежде всего, просадки грунта в местах интенсивного строительства зданий и сооружений, подтопления дорог и трубопроводов, аварии па буровых скважинах.

Содержащиеся  в деятельном слое надмерзлотные  воды, увеличиваясь

в объеме при замерзании, нередко  приподнимают вышележащие отложения, образуя бугры пучения. При этом выделяются миграционные бугры, когда к фронту промерзания мигрируют новые объемы воды из нижележащей протаявшей части грунта, и инъекционные бугры пучения, образующиеся в условиях закрытой системы. Инъекционные бугры, возникающие в результате промерзания подозерных таликов, носят якутское название «булгунняхи».

Одной из разновидностей инъекционных бугров являются гидролакколиты — небольшие, до нескольких сотен метров в поперечнике, положительные формы, высота которых обычно не превышает 10 м.

Образуются  гидролакколиты при замерзании аллювиальных грунтовых

вод либо напорных вод таликов, поднявшихся  к поверхности, при их полном или частичном сезонном оттаивании. Замерзающая вода, увеличиваясь в объеме, все время приподнимает лежащие надо льдом породы. Постоянный рост гидролакколитов приводит к образованию на поверхности многочисленных трещин. С морозобойными трещинами, образующими системы различных по масштабу и форме полигонов, связано формирование повторно- жильных льдов. Этот процесс широко развит преимущественно в северной геокриологической зоне, характеризующейся низкими температурами и небольшой мощностью сезонно-талого слоя. Для образования повторно-жильных льдов необходимо соблюдение нескольких условий (Б. Н. Достовалова, А. И. Попова и др.): многократное возникновение морозобойных трещин глубже границы сезонного протаивания, соответствующее многократное заполнение трещин льдом и наличие в разрезе пластичных или способных к уплотнению отложений.

При этом выделяются два типа роста жил: эпигенетический, в

пределах уже сформировавшихся горных пород, и сингенетический, когда

повторно-жильные льды формируются  одновременно с накоплением осадков (пойменные, делювиальные, болотные и другие отложения).

С областями  развития многолетней мерзлоты связано  развитие двух

основных склоновых процессов  — солифлюкции и курумообразования.

Летом деятельный слой, находясь у самой дневной  поверхности,

очень подвижен. Перенасыщенный не проникающей  в глубину талой и