Многолетняя мерзлота
 Скачать 94.29 Kb.
|
|
1.3. Структура современной геокриологии, ее связь с другими науками Геокриология – наука геологического цикла, она связана со многими разделами геологии: литологией, гидрогеологией, тектоникой, четвертичной геологией, геофизикой и пр. В то же время мерзлая зона литосферы формировалась при определенных физико-географических условиях, существующих на поверхности Земли, поэтому геокриология должна использовать достижения метеорологии, гидрологии, океанологии, гляциологии и др. наук географического профиля. Практические направления геокриологии связаны с запросами промышленного и гражданского строительства, вследствие чего она использует методы технических и физико-математических наук. В настоящее время развитие геокриологии осуществляется по следующим основным направлениям: - Физика, химия и механика мерзлых пород; - Динамическая геокриология; - Литогенетическая геокриология (или криолитология); - Региональная и историческая геокриология; - Инженерная геокриология; - Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны; - Планетарная криология. Физика, химия и механика мерзлых пород. Задачей этого направления является изучение закономерностей протекания физико-химических, механических и теплофизических процессов в мерзлых, промерзающих и оттаивающих горных породах. Физика, химия и механика мерзлых пород в целом является важнейшей теоретической базой для всех других направлений. Динамическая геокриология изучает тепловое состояние Земли и факторы, влияющие на его изменение. Прямой задачей динамической геокриологии является рассмотрение процессов, приводящих к формированию сезонно- и многолетнемерзлых пород. Разработка термодинамических и теплофизических основ формирования мерзлых толщ базируется на изучении теплообмена в системе «атмосфера – литосфера», радиационного и водно-теплового балансов, температурного режима и фазовых переходов влаги, содержащейся в горных породах. Другой важной частью динамической геокриологии является изучение и прогнозирование мерзлотно-геологических (геокриологических) процессов, выявляемых при региональных исследованиях. Литогенетическая геокриология (криолитология) Основные задачи этого научного направления: исследование вещественного состава и структурно-текстурных особенностей мерзлых пород и льдов; выявление на основе мерзлотно-фациального анализа особенностей и закономерностей формирования различных генетических типов мерзлых отложений. Региональная и историческая геокриология изучает зональные и региональные закономерности формирования и распространения мерзлых пород; особенности их распространения по площади и в разрезе; криогенное строение, мощность и температурный режим мерзлых толщ и подземных льдов; влияние на их образование многолетних колебаний климата, ландшафтногеоморфологических и геологических условий; развитие и существование геологических процессов и явлений. Наряду с криолитологами специалисты рассматриваемого направления занимаются выяснением истории возникновения и развития мерзлых толщ в отдельном регионе и на всей планете в целом. Инженерная геокриология представляет собой раздел практической геокриологии, она занята инженерно-геологическим обеспечением проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений в криолитозоне; разрабатывает наиболее надежные и экономически выгодные решения при хозяйственном освоении территории. Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны. Задачами этого направления являются выяснение характера взаимодействия объектов строительства и мерзлых пород, устойчивости компонентов природной среды к влиянию изменяющихся естественных и антропогенных факторов. В настоящее время геокриологический прогноз является обязательной составной частью исследований мерзлых пород для целей строительства, поскольку фазовые переходы воды в грунтах резко меняют их физико-механические свойства. Усиливающиеся техногенные нагрузки на природную среду ведут к существенному негативному изменению геокриосистем. Криолитозона очень уязвима в экологическом отношении, а восстановление природных ландшафтов в условиях Севера происходит весьма медленно. Последствия антропогенного воздействия на криолитозону в ряде случаев имеют слабо предсказуемый и трудно контролируемый характер, поэтому требуют безотлагательного решения сложных экологических задач. Криология планет – одно из самых молодых направлений геокриологии, оно зиждется на достижениях астрономии и космонавтики. Познание закономерностей развития криогенных оболочек планет солнечной системы, состоящих не только из водного, но и углекислотного и метанового льда, облегчит человеку познание криогенной оболочки Земли 2.Современные представления о многолетней мерзлоте 2.1.Современные представления о возникновение и развитие многолетнемерзлых пород. Многолетнее промерзание горных пород начинается в случае, если их среднегодовая температура на подошве слоя сезонного промерзания переходит через ноль градусов в сторону отрицательных значений. В недавнем геологическом прошлом, в конце позднего плейстоцена, климат Земли в северном полушарии был очень суровый, намного холоднее современного, поэтому тогда на огромных территориях существовали благоприятные условия для глубокого промерзания недр. В голоцене наступило потепление, особенно ощутимое в середине периода, и криолитозона стала сокращаться как по площади, так и в разрезе, т.е. началась деградация мерзлоты. Впервые теория деградации мерзлых толщ обосновывалась в работах М.И.Сумгина, который сделал вывод о том, что многолетняя мерзлота возникла в периоды крупных оледенений и поэтому должна сокращаться вслед за таянием ледников. В подтверждение этому им приводились данные о смещении южной границы многолетнемерзлых толщ к северу. Однако уже к середине прошлого века появились данные о новообразовании мерзлых толщ и понижении температуры горных пород. Такие ученые, как П.И.Колосков, С.Г.Пархоменко, Д.В.Редозубов и др., придерживались противоположной М.И. Сумгину точки зрения и предполагали усиление (аградацию) мерзлоты. Связан этот процесс, по мнению авторов, с современным похолоданием, которое началось несколько тысячелетий тому назад. 2.2. Состав мерзлых дисперсных (осадочных) пород Породы без жестких связей являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в которые входят следующие составляющие: 1) скелет (минеральный и органо-минеральный); 2) твердая фаза воды; 3) жидкая фаза воды; 4) газообразная составляющая (пар и газы). Скелет мерзлых осадочных отложений состоит преимущественно из минеральной части, а в почвах и биогенных породах – в значительной степени или практически полностью (торф) из органических частиц. Органическое вещество в мерзлых отложениях может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения – гумуса. Широко распространены в криолитозоне торфяные отложения, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения, недостатка кислорода и низких температур. Лед является важнейшим породообразующим минералом в мерзлой породе. Этот лед называется подземным, несмотря на характер залегания. Все виды льда в горных породах можно объединить в четыре основные группы. Конституционный, или текстурообразующий лед, являющийся основным элементом, формирует текстуру мерзлой породы. Он может находиться в порах и быть невидимым невооруженным глазом, а может залегать в виде включений, прослоек, линз и пр. Инъекционный лед образуется при замерзании подземных вод, внедрившихся в породу под давлением. Он встречается в виде интрузий (гидролакколиты) и пластов на небольших, как правило, глубинах от поверхности. Размеры залежей инъекционного льда могут достигать в плане тысяч м2. Повторно-жильный лед образуется при многократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин с отрицательной температурой стенок. Он имеет клиновидную или столбчатую форму в поперечном разрезе. Размеры жил по вертикали составляют от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, в плане – до 3-5 м. Пластовые льды встречаются на глубинах до 100 и более метров. Это крупные скопления иногда совершенно чистого без грунтовых примесей льда мощностью от 0,5 до нескольких десятков метров. Природа их различна. Жидкая фаза воды в мерзлых породах является весьма динамичным и важным компонентом, определяющим ее свойства. Вода в порах породы может находиться как в свободном, так и связанном состоянии. Пресная свободная вода замерзает при температуре 00С, но с увеличением минерализации температура начала замерзания понижается: примерно 1 град. на каждые 18-20 г/л минерализации. Практически всегда в горной породе присутствует вода в виде пара. Количество воды, перешедшей в лед в горной породе, определяет величину пучения, поскольку масса воды при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9%. 2.3. Снежный покров, его влияние на многолетнюю мерзлоту Снежный покров формируется практически повсеместно в районах, где встречаются мерзлые породы. Влияние его на радиационно-тепловой баланс поверхности весьма велико и многообразно. Прежде всего, снег увеличивает альбедо дневной поверхности, повышая ее отражательную способность в несколько раз. Это приводит к уменьшению поглощения лучистой энергии, и к понижению средних годовых температур пород. Кроме того, к существенному сокращению приходной части теплового баланса приводят затраты тепла на таяние снега и частичное испарение талых вод. Тающий снег в течение некоторого времени поддерживает на поверхности нулевую температуру, что препятствует прогреванию почвы, несмотря на положительную температуру воздуха. Отсюда следует охлаждающее влияние снежного покрова. В то же время снежный покров, обладающий малой теплопроводностью, как теплоизолятор, предохраняет почву от зимних теплопотерь и выступает как отепляющий фактор. Чем выше теплоизоляционные свойства снега в зимний период, тем больше его отепляющее влияние на почвогрунты. Таким образом, главными факторами, определяющими влияние снежного покрова на температурный режим поверхности, являются высокое альбедо и теплоизолирующая роль снега. 2.4. Растительность, ее влияние на многолетнюю мерзлоту Растительность, находясь на границе атмосферы с литосферой, значительно влияет на обмен тепла и влаги между ними, а в конечном итоге и на температурный режим горных пород. В общем случае растительный покров предохраняет почву от зимнего охлаждения и препятствует ее летнему прогреванию, сокращая амплитуды колебания температуры на поверхности. Мерзлые толщи и растительность, развиваясь во времени, реагируют на изменение друг друга. Растительные сообщества во многих случаях являются хорошими индикаторами состояния почвы, и это обстоятельство широко используется при мерзлотной съемке. Часто уничтожение растительности приводит к повышению летних температур горных пород и глубины сезонного протаивания, что способствует усилению криогенных процессов, в первую очередь термокарста, термоэрозии и заболачиваемости. 2.5. Рельеф местности, экспозиция и крутизна склонов Увеличение высоты местности приводит к понижению температуры воздуха. Средний градиент понижения температуры воздуха в тропосфере составляет, примерно, 0.5-0.6º на каждые сто метров подъема. В связи с этим понижается и среднегодовая температура поверхности почвы. С высотой меняется количество атмосферных осадков, условия накопления снежного покрова, влажность почвы, видовой состав растительности и т.д., т.е. происходит изменение всех классификационных показателей сезонного промерзания (оттаивания) горных пород в основном в сторону повышения суровости мерзлотных условий. Во многих низкогорных районах Сибири и Якутии в зимний период наблюдается инверсионное распределение температуры воздуха с высотой. В период антициклональной погоды холодный тяжелый воздух застаивается в долинах, а с высотой наблюдается потепление. Это явление наблюдается, как правило, до высот 900-1000 м, а выше идет нормальная стратификация температуры. Поэтому на невысоких водоразделах в зимний период температура воздуха оказывается на 3-5º выше, чем в долинах. Влиянием инверсии некоторые исследователи объясняют существование таликов в указанных районах. В условиях расчлененного рельефа (и не только в горах) важное значение в формировании температуры грунтов и глубины сезонного промерзания (оттаивания) имеет экспозиция склонов. Склоны южной экспозиции (склоны долин смотрят на юг) летом получают значительно больше лучистой солнечной энергии, чем северные. Влияние рельефа на формирование мерзлотных условий территорий сказывается не только на местном, но и на региональном уровне. Горные хребты во многом определяют континентальность климата огромных территорий, препятствуя атмосферному переносу влаги с океанов во внутренние части материков. Верхоянский и Становой хребты встают на пути влажных ветров с Тихого океана в Восточную Сибирь и Якутию, а Уральские горы, хотя и небольшие по высоте, сокращают количество атмосферных осадков в Западной Сибири по сравнению с Восточной Европой. 3.Криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления Криогенными (мерзлотными) процессами называются экзогенные геологические процессы, которые обусловлены сезонным и многолетним промерзанием и оттаиванием увлажненных рыхлых горных пород, охлаждением мерзлых пород и замерзанием подземных вод Криогенные процессы приводят к формированию различных криогенных образований (явлений), которые находят свое отражение в рельефе поверхности, геологическом строении рыхлых четвертичных отложений. По основным ведущим факторам природной среды все криогенные процессы можно условно разделить на четыре основные группы: собственно криогенные, склоновые, водные и эоловые. Первая группа процессов характерна в основном для районов криолитозоны и глубокого промерзания горных пород, а другие имеют аналоги за ее пределами. Рассмотрим основные криогенные процессы. 3.1. Морозное пучение дисперсных пород Морозное пучение отложений обусловлено увеличением объема влаги при промерзании. Величина пучения грунтов зависит не только от количества содержащейся в них воды, но и от температурного режима и условий промерзания. Процесс морозного пучения широко распространен в криолитозоне и в районах с глубоким промерзанием пород. Обычно наблюдается два вида процесса: без притока влаги извне (закрытая система) и с миграцией влаги (открытая система). Наибольшие деформации пучения пород происходят в условиях открытой системы при малых скоростях промерзания. К сильно пучинистым грунтам относятся влагонасыщенные пылеватые пески, супеси и легкие суглинки. Различают площадное и локальное пучение грунтов. В области криолитозоны широко развит процесс выпучивания столбов и свай, что приводит к деформациям линейных сооружений. Последовательность стадий выпучивания столба следующая. Первая стадия процесса соответствует началу интенсивного промерзания грунтов. Силы сцепления грунта с поверхностью столба тем выше, чем ниже температура среды. При подъеме поверхности за счет пучения верхний слой грунта увлекает за собой столб, вытаскивая его из талых пород. Этот процесс движения тела вверх сопровождается образованием под столбом полости (вторая стадия). Третья стадия процесса соответствует полному промерзанию СТС и закрытию полости льдом или сильно льдистым грунтом. В начале лета силы смерзания грунта со столбом постепенно сверху вниз исчезают, грунт оседает, а столб остается приподнятым, так как его движению вниз мешают еще не оттаивающие на глубине слои. После завершения летнего протаивания столб немного осядет, но возвратиться на свое прежнее место уже не сможет. В результате через несколько лет действия процесса пучения столб окажется мало заглубленным в грунт и не сможет выдержать даже ветровую нагрузку. Выпучивание столбов и фундаментов наблюдается и в районах сезонного промерзания Заметнее всего в рельефе проявляется локальное пучение (бугры). В природных условиях появление бугров пучения может быть вызвано как сезонным, так и многолетним промерзанием грунтов. Сезонные бугры пучения могут формироваться за счет подземных вод СТС; в этом случае высота их невелика и редко превышает несколько десятков дециметров. Довольно крупные бугры пучения образуются на участках разгрузки подземных вод всевозможных таликов. Размеры таких бугров весьма внушительные: высота достигает 5-6 м, а диаметр в основании – 20-50 м и более. Наибольших размеров достигают многолетние бугры пучения. Основные причины их образования две: внутригрунтовое выдавливание воды или разжиженного грунта под действием криогенного напора и длительная миграция подземной влаги к фронту промерзания. В связи с этим выделяют миграционные и инъекционные бугры пучения. Выделить основную причину, приводящую к формированию бугра не всегда возможно. Миграционные бугры пучения (классический пример) формируются на участках развития торфяников, температура которых ниже, чем окружающих минеральных пород. В начальный период промерзания отложений (новообразование мерзлоты), в условиях открытой системы, к подошве мерзлой толщи мигрирует и замерзает влага, увеличивая тем самым объем и высоту бугра. С приподнятой поверхности бугра зимой снег сдувается, что еще больше способствует процессу промерзания грунтов. Скорость роста таких бугров пучения в Западной Сибири) в начальный этап составляет 1030 см/год, а затем, по мере роста многолетнемерзлого ядра и увеличения самого бугра, уменьшается до 1-2 см/год. Эти бугры достигают высоты 20 метров, а диаметр в основании составляет сотни метров. Многолетние инъекционные бугры пучения, образующиеся в условиях закрытой системы, связаны в основном с многолетним промерзанием несквозных водоносных подозерных таликов. В Республике Саха (Якутия) эти бугры носят название булгунняхи, а за рубежом – пинго. Причиной промерзания подозерных таликов является обмеление или осушение озер. При промерзании несквозного замкнутого талика в нем возникает криогенный напор, в результате которого мерзлая кровля в наиболее слабом месте выгибается, образуя многолетний бугор пучения с ядром из инъекционного льда. Промерзание талика и соответственно рост бугра пучения растягивается на многие десятки и сотни лет и внедрение воды в растущий булгуннях происходит многократно. Параллельно с инъекцией воды может наблюдаться и сегрегационное льдовыделение, в виде шлиров и прослоев льда. Размеры булгунняхов зависят от количества воды в замкнутой системе и могут достигать в высоту 30-40 м и по основанию – сотни метров. В местах разгрузки различного типа подземных вод в области криолитозоны также формируются инъекционные бугры пучения, которые принято называть гидролакколитами. Причиной их образования является изменение гидродинамического напора подземных вод. Как правило, гидролакколиты разрушаются в течение летнего сезона, но встречаются и такие, которые формируются в течение одного зимнего периода, а разрушаются на протяжении нескольких лет. Такие бугры зафиксированы в Центральной Якутии, у подножия склонов, где развиты надмерзлотные радиационно-тепловые талики. |