Физическая геокриология представляет дальнейшее развитие физической геологии; она — неотъемлемая ее часть.
Можно считать, что эта наука берет начало с малоизвестного доклада академика Г. П. Гельмерсена собранию Петербургской Академии наук на тему «Физические и геологические условия Петербурга» (1864). В этом труде профессора и директора Петербургского горного института был сделан первый шаг на пути к применению принципов и методов физики в исследованиях современных геологических процессов. Эти процессы на могли быть не замеченными в новой столице России, расположенной при устьи большой и необычной по режиму реки Невы. Впрочем, с доклада Гельмерсена также следует начинать и летопись геологии городов, получившей блестящее развитие лишь в первой половине XX столетия.
Вторым шагом на пути укрепления связи геологии с физикой можно считать составление и издание в Англии в 1882 г. учебного пособия В. Грина «Физическая геология». И наконец, третий и решающий шаг в этом направлении развития геологии был сделан учеником академика Г. П. Гельмерсена профессором Петербургского горного института И. В. Мушкетовым (1850—1902). Этому способствовали его исследования особенностей геологического развития суши в Туркестане — горной области, характеризующейся весьма изменчивым и подвижным почвенно-грунтовым комплексом.
В 1891 г. было опубликовано составленное И. В, Мушкетовым оригинальное учебное пособие «Физическая геология», которое оказалось и фундаментальной научной монографией. В нем И. В. Мушкетов писал: «Физическая геология вполне уместна наряду с динамической геологией, являясь вместе с тем в некоторых отношениях шире последней. Хотя понятия «общая геология» и «физическая геология» близки по значению, все же следует учитывать, что в понятие общей геологии нередко включается стратиграфия. Физическая геология, изучая современные геологические процессы, с одной стороны, стремится выяснить прошедшие изменения Земли, а с другой — пытается определить будущие изменения».
Итак, И. В. Мушкетов уже в конце XIX в. выдвинул идею физико-геологического прогноза, или прогнозирования физико-геологических явлений, что отвечало практическим запросам к геологии со стороны сильно развившегося в России транспортного строительства. Во втором издании «Физической геологии» (1899) он положительно оценивал перспективы только что возникшей экспериментальной геологии. Моделирование в натуре при изучении, объяснении и прогнозировании физико-геологических явлений — вот то новое, что внес И. В. Мушкетов в так называемую общую и динамическую геологию XIX в. Задачи и методы созданной им физической геологии заинтересовали инженеров-строителей, для которых изменчивый и подвижный почвенно-грунтовый комплекс необходимо было изучать как основание, среду и материал сооружений.
Особый интерес к зарождающейся физической геологии проявил директор Института путей сообщения М. Н. Герсеванов. В опубликованных им «Лекциях о морских сооружениях» (1891) содержалось первое теоретическое рассмотрение взаимодействия сооружения с водой и грунтами.
С 1899 г. геолого-технические изыскания трасс железных дорог с участием учеников физико-геологической школы Петербургского горного института становятся обязательным этапом проектирования железных дорог. Особенно широко изыскания развиваются на востоке России, в районах со сложными физико-геологическими условиями — в Забайкалье и Приамурье. В изысканиях трассы Кругбайкальской железной дороги по программе И. В. Мушкетова (1899) принимал участие и сам автор программы, осмотревший несколько участков и составивший заключение о выборе вариантов прокладки. Авторы отчетов об этих изысканиях, включавших натурные эксперименты, рассматривали горные породы как основание, среду и материал сооружений и называли их грунтами. После смерти И. В. Мушкетова основы физической геологии развивались его учениками К. И. Богдановичем и В. А. Обручевым, но медленнее, чем раньше.
После первой мировой войны в Западной Европе и США начинает быстро развиваться техническая, или инженерная, геология, дающая необходимые сведения инженерам-строителям, занимающимся изысканием трасс и площадок для проектируемых сооружений. В этот же период в СССР вместо дореволюционной геотехники появились и быстро совершенствовались ее разделы — грунтоведение и механика грунтов. В первое время (до начала 1930-х годов) они развивались в СССР независимо друг от друга и несли следы одностороннего подхода к сложному объекту — изменчивому и подвижному почвенно-грунтовому комплексу.
Первую же попытку объединения грунтоведческого (литологопетрографического), механического и части геодинамического направлений в изучении почвенно-грунтового комплекса под названием инженерной геологии сделал основоположник механики грунтов К. Терцаги (1929). Дважды переизданная в СССР его «Инженерная геология» (1932 и 1934) трактует не только вопросы приложения общей геологии к инженерному делу, как «Техническая геология» И. Штини (1922) и соответствующие главы «Полевой геологии» В. А. Обручева (1932), а посвящена разбору некоторых геологических условий и главных свойств горных пород с точки зрения их технической оценки и количественного выражения.
Инженерная геология, по существу, заняла промежуточное положение между геотехникой и физической геологией, не сумев в дальнейшем объединить их, хотя механика грунтов, если относить механику к разделу физики, тоже физико-геологическая наука. На ограниченность механики грунтов как главной теоретической основы геотехники первым указал в 1948 г. К. Терцаги. Но за 20 лет глубоких исследований он убедился, что применение методов механики грунтов не мешает получению приближенных решений задач, стоящих перед геотехникой. Именно с применения теории и методов механики изотермичной сплошной среды и началась инженерная геокриология (мерзлотоведение), когда инженерная геология уже сформировалась (в конце 1930-х гг.).
Узость содержания инженерной геологии и совпадение ее задач с задачами геотехники не могли не заметить крупные специалисты широкого геологического и геофизического профиля. Так, например, академик А. В. Сидоренко констатировал, что понятие «инженерная геология» трактуется весьма узко — как составление инженерно-геологических обоснований для строительства сооружений, изучение оползней, селей, обвалов, карстов и т. п.
«Сейчас нельзя говорить об инженерной геологии только как об отрасли геологии», — написал академик М. А. Садовский в письме участникам междуведомственного совещания по инженерной геологии (3—8 июня 1968 г.). «Слишком отличным от геологического стал метод этой науки, неизмеримо быстрее геологии впитывающей и использующей физико-математические и физико-химические основы. Процесс преобразования инженерной геологии в отрасль физики, пусть геологической, но именно физики, несомненно будет развиваться ускоренно, параллельно росту технической деятельности человека. Я не случайно говорю о физике, а не о механике, к которой уже привыкли в инженерной геологии».
В 1970 г. произошло важное событие, свидетельствующее о том, насколько глубокими и перспективными были физико-геологические идеи И. В. Мушкетова. В США было издано «Введение в физическую геологию» (Ж. Ферхуген и др.). Цель этого большого труда — краткое изложение современных представлений о строении Земли и процессах, влияющих на ее формирование. Полноценная интерпретация данных, полученных в процессе полевых геологических наблюдений, по мнению авторов, может быть дана геологом лишь в том случае, если в его образе мышления присутствуют элементы, свойственные мышлению физиков и химиков. Этого невозможно достичь без ознакомления с основными принципами современной термодинамики. Поэтому во «Введение в физическую геологию» включены вопросы термодинамики и деформации горных пород, или геомеханики, на современном теоретическом уровне рассмотрены механические свойства и различные формы поведения горных пород под действием разных сил, а также дается физическая и геологическая интерпретация деформаций слоев, толщ и массивов.
Пренебрежение общими принципами физики, которые применимы к любой почвенно-грунтовой, или в более широком плане литосферной, системе, привело многих геологов к недооценке научного и практического значения физической геологии. Отсюда — недостаток внимания к энергетике современных геологических процессов, недооценка влияния солнечной энергии при объяснении механического разрушения горных пород и интенсивного их выветривания. Лишь современная физическая геология может вскрыть существо таких сложных явлений, как физическое выветривание, пучение и растрескивание промерзающих пород, генерация тепла толщами глин в условиях их погружения и сдавливания в земной коре.
Применение физико-геологических методов, учет источников и стоков тепла и влаги в почвенно-грунтовом комплексе позволили за последние полвека превратить мерзлотоведение — эту отрасль геолого-географических знаний — в объяснительную и предсказательную науку геокриологию. Примеров плодотворного применения принципов и методов теплофизики и механики сплошной среды в геокриологии много. Широким и плодотворным применением физических принципов вообще и методов термодинамики необратимых процессов в частности отличаются труды гидрогеологов С. И. Смирнова (1974 и 1979) и Н. А. Огильви (1974).
Методы исследований физической геокриологии чрезвычайно многообразны, поскольку почвенно-грунтовый комплекс — это физико-геологический объект, в котором на макроскопическом уровне обнаруживается своеобразное сочетание физических и геологических явлений и который представляет собой сложную природную систему.
Ниже обратим внимание читателя на общефизические подходы, принципы и методы, применимые в физической геокриологии, без которых представляется немыслимым дальнейшее развитие этой молодой науки.