Введение что такое геокриология
 Скачать 64.65 Kb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение ……………………………………………………………………….... 3 Что такое геокриология …………………………………………………. 4 Предмет геокриология; понятия и термины. Строение криосферы Земли ………………………………………………………………….. 4 История исследования многолетней мерзлоты …………………… 6 Структура современной геокриологи, её связь с другими науками ………………………………………………………………………….. 9 Современные представления о многолетней мерзлоте ……………………………………………………………………...…….. 12 Современные представления о возникновении развитие многолетнемерзлых пород ……………………………………………………………………….. 12 Состав мёрзлых дисперсных (осадочных) пород ………………… 12 Снежный покров, его влияние на многолетнюю мерзлоту ………. 13 Растительность, её влияние на многолетнюю мерзлоту …………… 13 Влияние на многолетнюю мерзлоту рельефа местности, экспозиции и крутизны склонов …..……………………………………………... 14 Криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления……… 15 Морозное пучение дисперстных пород ……………………………..15 Морозобойное растрескивание и полигонально – жильные образования …. 16 Термокарст …………………………………………………………... 17 Наледеобразование …………………………………………………... 18 Криогенные склоновые (гравитационные) процессы ……………… 20 Термогидрогенные процессы ………………………………………. 22 Влияние многолетней мерзлоты на хозяйственную деятельность человека …………………………………………………………………. 24 Введение Интересно узнать, как она возникла, какие факторы способствовали ее образованию. Как она влияет на природу нашей страны и хозяйственную деятельность человека? Практическая значимость: Материалы реферата будут использованы учениками на уроках географии. Изучить многолетнюю мерзлоту - уникальное и в тоже время, широко представленное на территории нашей страны, явление. Задачи: Изучить литературные источники, установить, что такое многолетняя мерзлота, как она возникла и насколько широко распространена? Какая наука занимается изучением многолетней мерзлоты? Познакомиться с историей исследования многолетней мерзлоты. Установить, каково влияние снежного покрова, растительности, рельефа на многолетнюю мерзлоту. Изучить криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления Установить, как антропогенная нагрузка влияет на многолетнюю мерзлоту. Картографический, анализ и синтез, работа с учебной и справочной литературой 1. Что такое геокриология 1.1. Предмет геокриологии; понятия и термины. Строение криосферы Земли Почти две трети территории России занято многолетней мерзлотой, многие крупные месторождения полезных ископаемых находятся именно здесь, в зоне вечной мерзлоты. На мерзлых грунтах строятся крупные промышленные и гражданские объекты, прокладываются различные виды линейных сооружений (автомобильные и железные дороги, газо- и нефтепроводы), словом, идет интенсивное освоение северных территорий. В связи с этим люди должны быть подготовлены для работы в суровых северных условиях и иметь представление об особенностях развития многолетней мерзлоты и ее взаимосвязи с другими компонентами природы. Наука, которая занимается изучением закономерностей формирования, развития и существованием во времени и пространстве мерзлых горных пород, их состава, строения, геологических процессов, связанных с отрицательными температурами, называется геокриологией. Этот термин предложил П.Ф.Швецов (1955) вместо существовавшего тогда термина «мерзлотоведение». Основатель мерзлотоведения, как самостоятельной науки, Михаил Иванович Сумгин (1873-1942). кратко определил его как учение о вечной мерзлоте и мерзлых грунтах, т.е. нахождение горных пород в мерзлом состоянии длительное время. Более общая задача геокриологии – изучение мерзлой зоны литосферы, или криолитозоны. Криолитозона – это часть земной коры, в которой горные породы (почвы, грунты) имеют отрицательную температуру вне зависимости от наличия и фазового состояния воды в ней. Криолитозона входит в состав криосферы Земли, которая (по В.И.Вернадскому) представляет собой такую термодинамическую оболочку, в которой одновременно при отрицательных температурах могут существовать лед, вода и пар. Криосфера включает в себя помимо криолитозоны значительную часть атмосферы (до высот 100-120 км), а также льды суши, морей и океанов. Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород (Романовский, 1983). По длительности существования в мерзлом состоянии почвы, грунты и горные породы подразделяются на следующие три типа: кратковременно мерзлые, сезонно мерзлые и многолетнемерзлые. Кратковременно мерзлое состояние почвы возникает в южных широтах, где среднесуточная температура воздуха в зимний период редко опускается ниже 00С, поэтому мерзлое состояние почвы длится всего лишь несколько часов, реже суток. Сезонномерзлое состояние почвы и грунтов продолжается несколько месяцев и на некоторой глубине может наблюдаться до конца теплого периода. Продолжительность сезонного промерзания зависит от широты, долготы и высоты местности, а также других географических условий. Многолетнемерзлое состояние породы может длиться без перерыва длительное время. Условно принято считать многолетнемерзлыми породы, не оттаивающие на протяжении 2-3 и более лет, они составляют основную часть криолитозоны. В тоже время, слой сезонномерзлого грунта (породы), не протаявший полностью в течение летнего периода и переходящий в мерзлом состоянии в следующую зиму, называют перелетком. Иногда перелетки существуют несколько лет. Многолетняя криолитозона явление зональное как в общегеографическом смысле, так и геологическом. Пространственное распространение мерзлых толщ определяется широтой местности, ее высотой над уровнем моря, глубиной от дневной поверхности и историей геологического развития региона. Мощность криолитозоны (с юга на север) изменяется от единиц до многих сотен метров. Максимальная вскрытая мощность криолитозоны в северном полушарии равняется 1450 м (Западная Якутия, бассейн р.Мархи). В высокогорьях, а также в пределах Антарктического щита глубина промерзания горных пород может быть значительно больше. В недалеком геологическом прошлом, в плейстоцене, в периоды длительных похолоданий климата, многолетнее промерзание земной коры на Евроазиатском континенте могло достигать глубины нескольких километров. Среднегодовая температура криолитозоны, определяемая на подошве слоя сезонного оттаивания или при разовых замерах на глубинах 10-20 метров, где температура постоянная в течение года, также явление зональное. Она изменяется от нуля – вблизи южной границы распространения многолетнемерзлых пород, до минус 10-150С – на арктическом побережье Северо-Востока России. Площадь распространения криолитозоны занимает около 25% поверхности суши Земли и почти 2/3 территории нашей страны. В России многолетнемерзлые породы (ММП) развиты на севере Европейской части (Кольский полуостров, побережье Баренцова моря), на полярном и северном Урале, на севере обширного Западно-Сибирского региона (примерно к северу от широтного направления р.Обь), охватывает большую часть Востока и почти всю территорию Северо-Востока Сибири, северные районы Дальнего Востока и Камчатки. Она распространена в горах Алтая, Саянах, Тянь-Шань. Выделяют районы сплошного, прерывистого и островного ее развития. Вблизи южной границы криолитозоны ММП образуют изолированные острова, площадь которых к северу увеличивается, отдельные острова мерзлоты сливаются в крупные массивы, разделенные немерзлыми (таликовыми) зонами и, наконец, образуются сплошные мерзлые толщи, охватывающие громадные территории. Принято считать, что если ММП в регионе занимают более 90% площади, то говорят о сплошном распространении мерзлых толщ; от 50 до 90% – прерывистом, менее 50% – островном. Зона сплошного распространения многолетнемерзлых пород охватывает Тазовский, Ямальский и Гыданский полуострова, низовья рек Пур, Таз и Енисей. Она приурочена к тундре и северной части лесотундры; южная граница проводится по параллели 660 с.ш. ММП развиты здесь даже в пределах прибрежной мелководной части Карского моря и прибортовых участков эстуарий крупных рек. Мощность криолитозоны в северных районах достигает 400-500 и, возможно, более метров. Температура пород изменяется в пределах минус 370С. Зона прерывистого распространения ММП охватывает южную часть лесотундры, всю северотаежную подзону, северную часть среднетаежной подзоны и простирается до 61° с.ш. На севере этой зоны мерзлые породы занимают свыше 50% площади, на юге они имеют островное распространение. Температура горных пород в зоне прерывистой «мерзлоты» изменяется от положительных до отрицательных значений: от +10+2 до -20-4°С, реже ниже. Зона потенциального развития мерзлых толщ с юга ограничивается 56° с.ш. Для этой зоны характерно относительно глубокое промерзание грунтов, а в суровые малоснежные зимы – образование перелетков мерзлых пород. Наиболее вероятно их образование при хозяйственном освоении территории. В зонах прерывистого и потенциального распространения мерзлых толщ на глубинах в десятки (на севере) и даже сотни (на юге) метров, под слоем талых пород залегают реликтовые мерзлые породы. Широкое распространение заглубленной реликтовой мерзлоты – отличительная особенность криолитозоны Западной Сибири. Реликтовые мерзлые толщи вскрываются скважинами далеко за пределами южной границы распространения мерзлых толщ, залегающих с поверхности. Таким образом из изложенного выше следует: а) на севере криолитозоны Западной Сибири развиты сплошные по вертикали мерзлые толщи мощности до 400-500 м; б) в средней части криолитозоны мерзлые породы имеют двухярусное строение: вверху залегают современные (голоценовые), а ниже, под талым горизонтом мощностью от нескольких десятков до первых сотен метров – древние (плейстоценовые мерзлые толщи); в) на юге криолитозоны Западной Сибири многолетнемерзлые породы существуют только на больших глубинах (200-300 м). 1.2. История исследований криолитозоны В истории развития геокриологии (мерзлотоведения) можно выделить несколько этапов. Первый этап или предыстория (XVI – первая половина XVIII века) характеризуется обнаружением мерзлоты и первыми попытками объяснения ее существования. Аборигены арктических земель и Восточной Сибири, несомненно, знали о существовании мерзлых пород, с ними они непосредственно сталкивались в повседневной жизни и даже использовали в практических целях вечный холод земли. В литературе же первые сведения о мерзлоте (которую на западе называли «русским сфинксом») стали появляться лишь с конца XVI века. В это время усилились поиски русскими людьми северного морского пути из России в Китай (Основы геокриологии.., 1959). В XVII веке в связи с продвижением русских землепроходцев на Восток и Север Сибири в Москву стали поступать сведения о мерзлых породах. Так в 1640 г. якутские воеводы Петр Петрович Головин и Матвей Богданович Глебов сообщали: «А в Якутцком-де, государь, по сказкам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни нечаять; земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает…». Без пашни, как известно, нет и хлеба, а, значит, для пропитания царских подданных необходимо было ежегодно направлять продовольственные обозы из западных регионов империи. Известный участник Сибирско-Тихоокеанской (Великой Северной) экспедиции XVIII века Иоганн Георг Гмелин из рассказов якутских жителей узнал, что уже в 1685-1686 гг. казаки-устюжане вырыли шахтный колодец глубиной более 30 м. Инициатор этого дела воевода Матвей Осипович Кровков сообщил в Москву «А колодезя, великие государи, в Якуцком сделать никоими мерами нельзя, потому что земля летом тает в полтора аршина, а больше двух аршин земля никогда не тает, а в исподнее на дне земля всегда мерзла». Однако и сам И.Г. Гмелин, вероятно, нетвердо верил рассказам сибирских казаков, поскольку его отчет о сибирской поездке (1752 г.) не убедил известных западных испытателей того времени в наличии на таких глубинах беспрестанно мерзлых пород. Даже спустя 75 лет после названной публикации, немецкий академик Леопольд Бух писал: «Показания казаков не должно было бы помещать в учебниках для подкрепления столь странного и невероятного факта». Западноевропейские ученые до середины XIX в. не верили в возможность многолетнего глубокого промерзания литосферы, хотя еще в 1757 г. Михайло Васильевич Ломоносов в своей работе: «Слово о рождении металлов от трясения земли» убедительно объяснил закономерность глубокого промерзания подпочвы. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой. Следующий этап охватывает период со второй половины XVIII по первую половину XIX вв. Продолжается накопление фактического материала по мерзлым породам различных районов Сибири, Якутии, Забайкалья, на побережье моря Лаптевых и Новосибирских островах. В исследованиях принимали участие Алексей Евдокимович Фигурин, Адольф Эрман, Петр Федорович Анжу, Фердинанд Петрович Врангель, Федор Федорович Матюшкин, Александр Федорович Миддендорф, Прокопий Тарасович Козьмин и др. Стимулом к формированию и развитию геокриологии явилось неслыханное достижение практики – проходка в толще мерзлых пород шахты глубиной более 116 м. В городе Якутске в 1828 г. под руководством служащего Русско-американской компании Федора Егоровича Шергина начали вести работы по рытью колодца, копали его почти восемь лет до 1836 г., но из толщи мерзлых пород так и не вышли. Этот колодец существует и в настоящее время, он известен как «шахта Шергина». Наука, как известно, начинается с измерений. Уже в 1829 году в стенке колодца Шергина на глубине 15,7 м А.Эрман замерил температуру многолетнемерзлых пород, которая оказалась равной минус 60Реомюра. Позднее академиком А.Ф. Миддендорфом, проводившим геоботанические исследования Сибири в период 1843-1846 гг., выполнены детальные измерения температуры по всему стволу шахты и вычислен геотемпературный градиент. По температурному градиенту была определена мощность мерзлой зоны в размере 609 футов (около 185 м). А.Ф.Миддендорф исследовал огромные пространства Западной и Восточной Сибири, от бассейна реки Енисей до берегов Охотского моря и собрал обширный материал по мерзлым породам. Он доказал ученым всего мира, что на обширных пространствах севера Азиатского континента, начиная с глубин 0.52.0 м и до глубин в десятки и даже сотни метров залегают «беспрестанно мерзлые грунты». В конце XIX в. начали изучать «мерзлоту» и в Северной Америке. Вторая половина XIX – начало XX в. характеризуется зарождением мерзлотоведения как прикладной отрасли знаний, что обусловлено началом промышленного освоения Сибири – строительством Транссибирской магистрали, развитием горнодобывающей промышленности. В 1866-1867 гг. Г.Л.Майдель впервые выполнил морфометрическое описание гигантской Кыра-Нехаранской наледи на Северо-Востоке Сибири площадью (по его оценке) около 100 км2. В 1889 г. Л.А.Ячевский, внесший большой вклад в развитие мерзлотоведения, представил схематическую карту распространения вечной мерзлоты и ее южной границы. В этом же году А.И.Воейков публикует данные о мерзлых породах в районах строительства Сибирской железной дороги. Уже в 80-х годах XIX в. И.В. Мушкетов приводит данные по мерзлоте. в своих лекциях для студентов Горного института в г.Санкт-Петербурге. Здесь же, в С.-Петербурге, под его руководством была создана Комиссия по изучению мерзлоты. В нее вошли А.И.Воейков, В.А.Обручев, М.А. Рыкачев и К.И.Богданович. В 1895 г. этой Комиссией была выпущена инструкция по изучению мерзлой почвы Сибири. В 1892 г. вышла работа Н.М.Козьмина, в которой он заложил основы представления о гидрогеологии горных стран в области распространения «вечной» мерзлоты. В 1903 г. С.А.Подьяконов публикует работу «Наледи Восточной Сибири и причины их возникновения». В 1912 г. Н.С.Богданов в монографии «Вечная мерзлота и сооружения на ней» освещает способы строительства сооружений в условиях Забайкалья. В 1916 г. была опубликована капитальная работа А.В.Львова «Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на западной части Амурской железной дороги в условиях вечной мерзлоты почвы». Она явилась первой крупной сводкой по гидрогеологии мерзлой зоны литосферы. За рубежом в этот период также проводились работы по изучению подземной криосферы (Аляска, Шпицберген, Швеция и др.), но они носили эпизодический и нередко случайный характер. Первая половина XX века в истории изучения мерзлоты является периодом становления мерзлотоведения как науки, созданной в первую очередь российскими и советскими учеными. В этот период начаты планомерные и целенаправленные исследования вечной мерзлоты. Развитие хозяйственной деятельности в области криолитозоны потребовало обобщения накопленных к тому времени знаний о мерзлых породах. Эта задача была успешно решена М.И.Сумгиным, опубликовавшем в 1927 г. книгу «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР». В 1929 г. при АН СССР была организована постоянная комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством акад. В.А. Обручева. В период с 1930 по 1936 гг. Комиссией было созвано пять совещаний по вечной мерзлоте. В 1936 г. в связи с расширением исследований в Арктике Академия наук реорганизовала КИВМ в Комитет по вечной мерзлоте, на основе которого в 1939 г. в Москве был организован Институт мерзлотоведения им. В.А.Обручева (ИНМЕРО). В конце 20-х и середине 30-х годов ХХ столетия организуются научно- исследовательские мерзлотные станции (НИМС). Первые станции были открыты в п.Сковородино и г.Петровске-Забайкальском, находящимся на Транссибе. К середине 30-х годов в стране действовало уже более 10 станций Идея создания научных станций принадлежала М.И.Сумгину, который осуществлял научное руководство их деятельностью. На мерзлотных станциях организуются стационарные наблюдения, региональные исследования, изучается опыт строительства, начинаются исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Годы создания некоторых НИМС: 1936 – Воркутинская (ВНИМС), 1935 – Анадырская (АНИМС), 1930 – Игарская, 1941 – Якутская (ЯНИМС). В 1940 г. Институт мерзлотоведения опубликовал первое учебное пособие по мерзлотоведению – «Общее мерзлотоведение» (М.И.Сумгин, С.П. Качурин, Н.И.Толстихин, В.Ф.Тумель, под редакцией В.А.Обручева). В 30-40-е годы М.И.Сумгин начинает читать лекции по мерзлотоведению в Ленинградском горном институте и Ленинградском государственном университете. В 30-е годы началось становление инженерного мерзлотоведения. В 1938 г. завершено строительство крупного промышленного сооружения на вечной мерзлоте – Якутской Центральной электростанции (ЯЦЭС), проектные изыскания выполнены под руководством Н.А.Цытовича. В довоенное время продолжалось изучение подземных вод криолитозоны Забайкалья, Дальнего Востока, Якутии и Амурской области. В конце 20-х – начале 30-х годов важные исследования на наледях вдоль Амуро-Якутской автогужевой магистрали выполнил инженер Валериан Гаврилович Петров. Им были разработаны и широко применялись на практике мероприятия по защите дорожного полотна от негативного воздействия наледей. Вторая половина XX – начало XXI в. является современным этапом в истории геокриологических исследований и характеризуется дальнейшим интенсивным развитием науки. Расширяется круг геокриологических исследований в Западной Сибири. В 1956 г. Институтом мерзлотоведения созывается VII Межведомственное совещание по мерзлотоведению, в котором участвовали представители 84-х научных и производственных организаций страны, в том числе Норильска и Магадана, где велись мерзлотные исследования. В 1959 г. ИНМЕРО выпустил капитальный труд «Основы геокриологии (мерзлотоведения)» в двух томах, а через два года – методическое руководство «Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования». В 1961 г. в Якутске, на базе отделения Московского института мерзлотоведения создается самостоятельный институт с тем же названием, который вошел в состав Сибирского отделения Российской Академии наук. В настоящее время Якутский Институт мерзлотоведения СО РАН носит имя первого директора академика П.И.Мельникова (19081994). В 60-80-е годы прошедшего столетия проводились обширные мерзлотногидрогеологические и инженерно-геокриологические исследования во всех районах развития криолитозоны Сибири, где велось строительство автомобильных и железных дорог, газо- и нефтепроводов, возводились гидротехнические сооружения на вечной мерзлоте, создавались крупные горнообогатительные комбинаты и многие другие разномасштабные сооружения государственного или ведомственного значения. Научные результаты, полученные в результате проведения широкомасштабных исследований, нашли отражение в 28-и выпусках «Мерзлотные исследования» МГУ, трудах ученых Института мерзлотоведения СО РАН, десятках научных монографий и статей специалистов самого различного профиля. В 90-е годы прошедшего столетия по известным причинам произошел резкий спад в проведении полевых геокриологических исследований по всей стране, но накопленный фактический материал, полученный в предыдущий период, позволил ученым-мерзлотоведам его детально проанализировать. Крупным обобщением геокриологических материалов явились следующие работы: 5-томная монография «Геокриология СССР» (1988-1989) и «Геокриологическая карта СССР» масштаба 1:2 500 000 (1997); вышли в свет шесть томов монографии «Основы геокриологии», подготовленные учеными Московского государственного университета, включающих в себя: «Физикохимические основы геокриологии» (1995); «Литогенетическая геокриология» (1996); «Региональная и историческая геокриология Мира» (1998); «Динамическая геокриология» (2001); «Инженерная геокриология» (1999); и «Геокриологический прогноз и геоэкология» (2002). Нужно отметить, что ни одно более или менее крупное строительство в криолитозоне не начинается без проведения предварительных мерзлотно-гидрогеологических изысканий и составления геокриологического прогноза. В конце 60-х годов началось плодотворное международное сотрудничество мерзлотоведов, которое выразилось в обмене опытом исследований и результатами работ на научных конференциях. Первая из них была проведена в 1963 г. (США, Лафейт). Таким образом, во второй половине прошедшего столетия геокриология стала общепризнанной быстро развивающейся наукой. Начало XXI века ознаменовалось новым импульсом развития геокриологических исследований, проводимых в нефтегазовом комплексе, при строительстве горнорудных комбинатов, магистральных автомобильных и железных дорог, а также в связи с требованиями охраны природной среды. |