Многолетняя мерзлота
 Скачать 94.29 Kb.
|
|
3.2. Морозобойное растрескивание и полигонально-жильные образования Морозобойное растрескивание обусловлено процессами температурного сжатия–растяжения в массиве горных пород, которые могут приводить к деформациям последних. После того как вся вода в верхней части геологического разреза за счет его промерзания перейдет в лед и закончится пучение пород, массив продолжает остывать, в результате чего он сокращается в объеме. Возникающие в нем температурные напряжения могут привести к разрыву мерзлой породы в том случае, когда они превысят временное сопротивление породы на разрыв. Наиболее широко морозобойное растрескивание проявляется на влажных глинистых и суглинистых грунтах и торфах. В мерзлом массиве достаточно больших размеров при соответствующих температурах возникающие напряжения, в конце концов, превысят сопротивление породы на разрыв, и в ней образуется трещина. Появление свободной вертикальной поверхности уменьшает напряжения в массиве вблизи трещины, но они постепенно возрастают на удалении от нее. В однородном массиве напряжения нарастают равномерно, и поэтому вторая трещина будет параллельна первой. Таким образом, первый разрыв (появление свободной вертикальной поверхности) определяет направление последующих. В природных условиях роль первой трещины играют естественные границы рельефа: уступ террасы, обрывистый берег реки и пр. Поэтому первые трещины (трещины первой генерации) часто повторяют изгибы береговой линии рек и уступы надпойменных террас. За счет формирования трещин первой генерации несколько уменьшаются напряжения в массиве пород между трещинами. Формирование трещин второй генерации начинается позднее и происходит перпендикулярно первым трещинам, а расстояние между разрывами внутри блоков будет выше. Таким образом, однородный массив мерзлого грунта разбивается в плане на прямоугольную сетку − полигоны, короткие стороны которых образовались позднее длинных. Если массив мерзлых горных пород неоднородный, то возникают полигоны различной формы, в которых сохраняются указанные закономерности. Образование трещин способствует охлаждению массива. Морозобойные трещины могут на несколько метров проникать достаточно глубоко в горные породы. Ширина морозобойных трещин на поверхности массива пород может достигать 5-10 см и более. Морозобойное растрескивание грунтов на обширных участках северных равнин дает начало многим криогенным процессам и явлениям. 3.3.Термокарст Термокарстом называется процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся просадкой земной поверхности – котловинами, которые называются термокарстовыми. В Западной Сибири у них есть собственное название – хасырей, а в Якутии – алас. Толчком к началу процесса служит такое изменение теплообмена на поверхности почвы, при котором глубина протаивания начинает превышать глубину залегания подземных льдов или мерзлых грунтов. Это может быть обусловлено как природными факторами: потеплением или усилением континентальности климата, увеличением количества осадков, подтоплением территории, сменой растительности и т.д., так и антропогенным воздействием. Иногда даже небольшое нарушение почвенно-растительного покрова приводит к бурному развитию термокарста. При площадных нарушениях почвенно-растительного покрова глубина протаивания грунтов увеличивается в разы (иногда в два-четыре раза). В процессе термокарста формируется специфический рельеф. Формы его в значительной мере зависят от вида и особенностей распространения подземных льдов. Протаивание мерзлых толщ, содержащих инъекционные и сегрегационные льды или различные типы погребенных льдов, обычно ведет к образованию различных локальных термокарстовых воронок, котловин. Если вытаивают преимущественно жильные льды, то рельеф приобретает полигональный характер с провальными озерами и западинами. При вытаивании ледяных жил и наличии оттока воды из понижения на участке термокарста наблюдаются останцы малольдистых относительно прочных пород, называемые байджерахами. Несмотря на различие форм термокарстовых понижений, все они имеют, как правило, округлые очертания. Термокарст развит во всех районах криолитозоны. На севере Западной Сибири он наблюдается главным образом на участках распространения льдистых морских отложений, содержащих пластовые залежи подземных льдов, в условиях повышенной увлажненности территории. Термокарстовых озера в этом регионе достигают внушительных размеров – многие километры в поперечнике и глубиной несколько метров. В Центральной Якутии, где климат резко континентальный и осадков выпадает мало, термокарст развит так же широко, но большинство сформировавшихся озер находятся в стадии усыхания. Это свидетельствует о том, что в недалеком прошлом термокарст развивался достаточно интенсивно, а сейчас находится в стадии затухания. Наблюдающееся в последние десятилетия потепление климата пока не отразилось в усилении термокарстовых процессов из-за малого количества влаги, хотя предпосылки для этого имеются. Таким образом, наличие сильно льдистых грунтов является необходимым условием для начала процесса термокарста. 3.4. Наледеобразование Наледями называются ледяные тела плосковыпуклой формы и различных размеров, формирующиеся зимой в результате многократного излива подземных, речных, озерных и морских вод на поверхность земли или льда и послойного их замерзания. Для образования наледей необходимо наличие водоупора и низких отрицательных температур воздуха, поэтому они нередко встречаются и за пределами многолетней криолитозоны, в условиях континентального климата. Однако наиболее широко они распространены именно в ее пределах, где водоупором является кровля многолетнемерзлых пород. Наиболее часто наледи образуются в горно-складчатых областях (Верхояно-Чукотская, Становая и др.), где существует высокая степень водообмена между поверхностными и подземными водами. В естественных природных условиях в равнинных местностях наледи встречаются реже (Центральная Якутия) или совсем редко (север Западной Сибири). В генетическом отношении различают наледи поверхностных вод, подземных вод и смешанного происхождения. Характером питания, а также климатическими условиями определяются режим формирования наледей и их размеры. Вода, которая формирует наледь, может выходить на поверхность в результате естественной разгрузки подземных вод, отжатия воды из промерзающих отложений или в результате сужения живого сечения речного или подруслового потока вследствие его промерзания. Нередко причиной появления наледей становится хозяйственная деятельность человека (техногенные и искусственные наледи). Сезонное промерзание, сужающее живое сечение поверхностных и подземных потоков воды, приводит к тому, что вода, приобретая напор, разрывает кровлю из мерзлого грунта или льда и, растекаясь тонким слоем по дневной поверхности, замерзает. В результате излияния воды напор в системе падает, и нарушенная кровля вновь начинает восстанавливаться. Количество циклов излияния–замерзания в течение зимы может достигать нескольких десятков, в результате чего формируется слоистое ледяное тело. В зависимости от водообильности наледеобразующего источника и метеорологических условий меняется размеры и мощность единичных слоев льда. Причем колебание зимних температур воздуха сказывается главным образом на размеры наледей южной геокриологической зоны, где выше, как правило, мощность снежного покрова, температура пород и короче зима. Например, в районе Станового хребта, в бассейнах рек Чары и Токко, площади отдельных крупных наледей из года в год отличаются в несколько раз. В Центральной Якутии размеры наледей определяются в первую очередь дебитом источника, поскольку для замерзания воды холода хватает. Однако, и там площадь наледей в «мягкие» зимы больше, чем в суровые, – вода успевает растекаться на большие расстояния, объем при этом мало меняется. Размеры наледей варьируют в больших пределах: площади их изменяются от нескольких квадратных метров до десятков квадратных километров, а объемы могут достигать млн. м3 (гигантские наледи). Самой большой наледью на Земном шаре считается «Момский Улахан-Тарын», которая формируется на притоке р.Индигирки (Верхоянский хребет). Ее площадь в отдельные годы достигает 80 км2, а объем – 200 млн. м3. Чтобы представить такое количество льда, можно мысленно выстроить из него дорогу от места формирования наледи до Москвы через Тюмень. Получится трасса шириной 20 м и толщиной ледяного полотна около 1,5 м. Всего в рассматриваемом регионе насчитывается более 10 тысяч наледей суммарной площадью около 14 тыс. км2, в которых ежегодно аккумулируется до 30 км3. Максимальные мощности наледного льда также изменяются в больших пределах – от нескольких десятков сантиметров до 7-10 м. Лед большой мощности часто не успевает растаять за летний период, и тогда отдельные части наледи переходят в следующую зиму (перелетовывают), а иногда сохраняются много лет. Нарастание максимальной мощности льда из года в год не происходит из-за того, что наледь формируется на более низких отметках. В горных районах с суровыми климатическими условиями и широким развитием склоновых процессов часто происходит захоронение наледного льда, образующие его пласты могут сохраняться многие годы. Наледеобразование, широко распространенное в природе, оказывает негативное воздействие на строительство и эксплуатацию инженерных объектов. Интенсивное наледеобразование впервые проявилось при строительстве Транссибирской железнодорожной магистрали. Причем, в период инженерногеологических изысканий наледей было выявлено немного, их количество резко возросло после возведения насыпи, т.е. при интенсивном нарушении естественных природных условий. В результате создания дорожной насыпи были перекрыты пути стока подземных вод, воздвигнуты (непроизвольно) мерзлотные барьеры, изменены условия снегонакопления, составляющие радиационно-теплового баланса и пр. Затраты на противоналедную борьбу в первые годы эксплуатации железной дороги превысили всю смету расходов на содержание путей. Широкомасштабные исследования влияния наледей на инженерные сооружения впервые выполнены В.Г.Петровым в начале 30-х годов прошлого века в Южной Якутии, где он изучал притрассовые наледи вдоль Амуро - Якутской автогужевой магистрали. На относительно коротком участке трассы от пос. Соловьевск (Амурская область) до пос. Беркакит (Республика Саха Якутия) им было обследовано около 120 наледей, многие из которых выходили на дорогу, затрудняли движение транспорта и разрушали земляное полотно (в среднем одна наледь на 3 км). В.Г.Петровым под руководством М.И.Сумгина были разработаны и успешно применялись методы противоналедной борьбы, которые условно подразделялись на: а) пассивные − преимущественно сезонные и б) активные – долговременные (постоянные). К первым относятся: отвод наледных вод по канавам во льду и пропуск их под мостовые переходы; удаление льда механическим (или ручным) способом; устройство ограждающих стенок из дерева или камня; устройство сезонных обходов наледных участков на автодорогах и пр. Применение описанных методов не требует специальной подготовки инженерного состава. К активным методам можно отнести постоянные защитные мероприятия: строительство подземного дренажа, отводящего подземные воды на безопасное расстояние от защищаемого сооружения; устройство мерзлотных поясов, вызывающих наледеобразование значительно выше по склону; поднятие дорожного полотна на высоту, исключающую наледное воздействие; уширение выемок на наледных участках; подогрев наледеобразующих вод и др. Немало сил и средств было затрачено на борьбу с наледями строителями Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ), несмотря на имеющийся опыт борьбы с наледями на дорогах. На одном из восточных участков БАМа, где наледь перекрывала железнодорожные рельсы, приходилось постоянно скалывать лед, а когда это не помогало, то на наледь укладывали новые шпалы с рельсами и так до высоты 4-х метров. При этом замена пути проводилась на расстоянии многих сотен метров. Проходка тоннеля «Нагорный» на юге Якутии (Малый БАМ) также сопровождалась наледеобразованием. Хотя объем ее не превышал 5 тыс. м3, а дебит наледеобразующего источника был менее 0,5 л/с, весь лед приходилось резать на куски и вывозить самосвалами за пределы выемки. Сметная стоимость противоналедных мероприятий по этому тоннелю превышала 0.5 млн. советских рублей. Образование наледей весьма коварный процесс и требует к себе пристального внимания специалистов. Однако следует отметить и положительную роль наледей. В суровых условиях криолитозоны по интенсивности наледеобразования и размеру наледей гидрогеологи довольно точно определяют ресурсы подземных вод. На наледных реках в засушливый летний период (летняя межень) сток поддерживается в значительной степени за счет таяния наледей. Причем, наледная вода имеет низкую минерализацию, поскольку основная масса солей ушла в реки во время паводка. Во многом принцип наледеобразования используют строители зимних ледовых переправ через крупные северные реки, что позволяет на 1-1.5 месяца увеличить срок эксплуатации зимников. Крупные наледи формируют собственный микроклимат, благоприятный как для людей, так и животных: зимой в суровые морозы на наледи теплее, чем на удалении от нее, а летом, в жару прохладнее, да и ветер сбивает тучи мошки и комаров, позволяя дышать чистым воздухом. Наконец, наледи в жаркий летний день – это просто красивое завораживающее зрелище. 3.5. Криогенные склоновые (гравитационные) процессы Склоновые процессы в областях многолетней мерзлоты и глубокого промерзания пород обусловлены наличием криогенного водоупора и высокой влажностью оттаивающего слоя, которые обеспечивают высокую подвижность грунтовых отложений. Криогенная десерпция (крип) представляет собой сползание рыхлых масс по склону в результате изменения их объема под воздействием процессов промерзания–протаивания. Сущность процесса заключается в том, что пучение породы при их промерзании происходит перпендикулярно склону, а движение частиц вниз при протаивании – по вертикали, т.е. под углом к склону меньше 90°. В результате цикла процесса промерзания-оттаивания частица породы, лежащая на поверхности, окажется перемещенной вниз по склону. Величина смещения частиц уменьшается к подошве слоя протаивания. Сползание отложений будет больше на крутых склонах по сравнению с пологими. В суровых условиях резко континентального климата движение частиц происходит и в течение суток: ночью – промерзание, днем – оттаивание. Результатом криогенного сползания и одновременной дифференциации мелкоземистого и щебнистого материала является наличие на склонах различных структурных грунтов, а при выносе водой мелкозема – каменных скоплений. На склонах, сложенных скальными породами, накопление щебнистоглыбовых отложений принято называть курумами. Развитие курумов включает ряд процессов, приводящих к дроблению каменного материала, движение его по склону и накопление на пониженных участках рельефа: физическое выветривание, криогенную (и температурную) десерпцию, подповерхностный смыв, сползание глыб и пр. Курумы приурочены к склонам крутизной от 3-5 до 25-30°. Они могут располагаться на обширных каменистых склонах, образовывать каменные потоки, слагать обширные каменные поля. При накоплении «критической» массы крупноглыбовые отложения приходят в движение и сползают вниз по склону. Этому процессу могут способствовать резкое увеличение количества атмосферных осадков в горных районах или землетрясения в сейсмически активных зонах. Поэтому строительство сооружений на курумах, в первую очередь железных дорог, чревато катастрофами. Солифлюкция. Так называется процесс вязкого и вязкопластичного течения дисперсного материала, пропитанного водой, вниз по склону. Ее развитию способствует наличие мерзлого субстрата и накоплению на нем воды, которая не может уходить вглубь отложений. Солифлюкция может развиваться как на задернованных склонах, так и на почти ровных аккумулятивных поверхностях; развивается она чаще всего в пылеватых грунтах и супесях. Интенсивность солифлюкции зависит от крутизны склона, глубины оттаивания пород, состава отложений, количества атмосферных осадков и пр. Максимальная мощность отложений, накапливающихся в результате этого процесса, наблюдается в нижних частях склонов. Различают два вида солифлюкции: покровную (аморфную) и дифференциальную (структурную). Первая представляет собой медленное вязко пластичное течение переувлажненных дисперсных пород, захватывающее весь оттаивающий слой. Этот вид солифлюкции характеризуется скоростями до 10 см/год и проявляется на склонах средней крутизны. Основной особенностью этого вида солифлюкции является то, что движение материала происходит без существенного нарушения внутреннего строения грунта. Дифференциальная солифлюкция, в отличии от покровной, хорошо выражена на местности в виде характерных форм микро- и мезорельефа: солифлюкционные языки, террасы, полосы и пр. Механизм структурной (по Г.Ф.Гравису) солифлюкции обусловлен сочетанием следующих процессов: 1) выдавливание грунтовой массы на поверхность при неравномерном промерзании достаточно мощного переувлажненного слоя грунта; 2) перемещение в связи с этим грунтовой массы, зажатой между мерзлыми слоями вниз по склону; 3) оплывание грунтовой массы, выдавленной на поверхность. Развитие такого вида солифлюкции возможно на очень пологих склонах. В пределах криолитозоны наряду с рассмотренными видами выделяют также быструю солифлюкцию (сплыв), обусловленную вязким течением оттаивающих дисперсных грунтов по склонам значительной крутизны. Скорости течения грунта при сплыве могут достигать нескольких метров в минуту, при этом происходит нарушение его структуры. Нередко сплывы проявляются на склонах горных выработок, карьерах. 3.6. Термогидрогенные процессы Развитие этой группы процессов вызвано механическим и тепловым воздействием на мерзлые и оттаивающие породы водных масс рек, ручьев и водоемов, а также талых снеговых вод. Здесь можно выделить следующие процессы: термоэрозия − действие временных и постоянных водотоков на горные породы; термоабразия − разрушение берегов водоемов за счет механической и тепловой энергии волн; плоскостной смыв – вынос дисперсного материала дождевыми и талыми водами; нивация – разновидность плоскостного смыва, обусловленного таянием снежников. Водные массы рек и ручьев производят большую эрозионно-аккумулятивную работу на всей территории суши, формируя облик речных долин. Разрушение берегов текучими водами происходит за счет донной и боковой эрозии. В криолитозоне боковая эрозия, как правило, преобладает над глубинной, чему способствует высокая льдистость четвертичных отложений, разрушающихся как под действием механической и тепловой энергии воды, так и за счет солнечной радиации. Поступающий в водотоки материал с берегов и склонов превышает транспортирующую способность воды, перегружает ее русло, и река еще больше мигрирует в сторону и подрезает берег. В результате миграции потока возникает большое количество меандр и стариц. Весьма существенной в области криолитозоны является деятельность временных водотоков, которая приводит к образованию оврагов на склонах долин. Овраги формируются в условиях расчлененного рельефа, где имеются условия для концентрации мелких ручейков в единое русло, в период интенсивных дождей. Антропогенное нарушение растительного покрова способствует образованию эрозионных форм. Наблюдения на участках газопроводов показывают, что термоэрозионные процессы интенсивно развиваются по колеям временных автодорог. Причем нарушения наблюдаются на весьма пологих склонах, крутизной несколько градусов, и в период снеготаяния. В Центральной Якутии, например, на участке газопровода-отвода на Покровск, за 20 с лишним лет эксплуатации дважды наблюдалась активизация термоэрозионных процессов, вызванная талыми водами. Образовавшиеся при этом крупные овраги представляли угрозу разрыва газовой трубы. Что интересно: запасы воды в снежном покрове не превышали средних многолетних значений – 50-60 мм, но весна была поздней, дружной и снег стаивал буквально за два дня. По колее временной дороги бежал ручей с расходом 25-30 л/с, который создал овраг глубиной до 3-х и длиной до 300 м. В летние периоды были времена, когда за сутки выпадало более 40 мм осадков, однако это не привело к оврагообразованию. Дело в том, что дождевая вода просачивается в грунт, а талая не может этого сделать из-за существования мерзлого экрана. Процесс термоабразии широко развит в криолитозоне по берегам морей, озер и водохранилищ. Наиболее активным он оказывается, когда в берегах обнажаются льдистые отложения и подземные льды. Интенсивность термоабразии слагается из механической и тепловой энергии волны, чем сильнее ветер и больше длина разбега, тем выше волна и ее энергия. Термическое воздействие ее на берега усиливается при повышении льдистости рыхлых отложений. Под действием волн в берегах образуются глубокие ниши, а сами берега становятся крутыми, почти вертикальными. Со временем мерзлые отложения, нависающие над нишами, обрушаются и размываются водой. При значительной льдистости отложений и мелкодисперсном их составе устойчивая береговая отмель долго не образуется, так как на ней не происходит накопления твердых осадков. Скорость отступания берегов за счет термоабразии составляет обычно несколько метров в год, достигая на отдельных участках северных морей 20 и более м/год. Имеются данные, которые указывают, что в после ледниковый период на берегах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского скорость отступания берегов достигала сотен метров в год. Одновременно с термоабразией в теплый период происходит оттаивание льдистых отложений под действием инсоляции (термоденудация), что еще больше усиливает процесс разрушения берегов. В Западной Сибири процессы термоабразии изучались на п-ове Ямал (Григорьев, 1987). Наблюдения показали, что средняя скорость отступания суши составляет 3 м/год. Из-за этого многие строения оказались разрушены или близки к аварийному состоянию. Интенсивное освоение Ямала в настоящее время требует применение эффективных мер защиты различных сооружений газовых промыслов от негативного воздействия морских вод. В породах преимущественно песчаного состава вместо плоскостного смыва наблюдается термосуффозия – вынос частиц инфильтрующейся водой и образование при этом провальных форм рельефа. Суффозионные воронки образуются часто выше участков разгрузки подземных вод, вблизи постоянно действующих источников. В области сплошной мерзлоты наиболее ярко суффозионные процессы проявляются в Центральной Якутии, на поверхности IV надпойменной (бестяхской) террасы реки Лена. В долине ручья Улахан-Тарын цепь суффозионных воронок контролирует направление подземного стока. Размеры воронок весьма внушительны: диаметр их достигает многих десятков метров, а глубина – 5-10 м. В северной геокриологической зоне и в горных районах широко распространены снежники, тающие нередко в течение всего теплого периода. Медленное таяние снежного покрова способствует насыщению водой пород, смыву и транспортировке мелкозема по склону. На склонах образуются своеобразные формы рельефа, обусловленные процессами нивации. |