Многолетняя мерзлота грунтов тундролесья

Длительное сезонное промерзание почвогрунтов, обусловленное изложенными климатическими особенностями, способствует сохранению многолетней мерзлоты их. А при даже незначительном похолодании климата, увеличении суровости зим, уменьшении снежного покрова или понижении среднемесячных температур воздуха летом в грунтах происходит накопление отрицательных температур.

Мерзлота грунтов обусловлена в первую очередь низким положительным радиационным балансом года и более чем полугодовым сезонным промерзанием почвогрунтов при нередких краткосрочных их замерзаниях в переходные и даже в летний периоды. Мерзлота распространена там, где средний радиационный баланс года меньше 30—35 ккал/м²∙час, что соответствует арктическому, субарктическому поясам и территориям с резкоконтинентальным климатом при очень низких температурах воздуха зимой и тонком снежном покрове. Последнее обстоятельство определяет распространение мерзлоты грунтов южнее границы тундролесья в заенисейской Сибири. Наоборот, приморское положение и тем более подходящее к берегу теплое течение, увеличивающие длительность теплого периода года, при мягкой снежной зиме не способствуют не только развитию, но и сохранению реликтовой многолетней мерзлоты у западной окраины Евразии. В результате крайний западный сектор советской Субарктики имеет лишь островную мерзлоту. Здесь южная граница многолетнемерзлых грунтов дальше всего отступает к северу. Таким образом, только небольшая часть европейского тундролесья лежит южнее распространения мерзлой зоны литосферы. При этом если территория западнее Енисея имеет либо островную мерзлоту, либо с островами таликов, то восточнее грунты почти всюду охвачены сплошной и очень мощной мерзлотой. Только на крайнем юго-востоке, по южному макросклону Колымского нагорья, повторяя в общих чертах конфигурацию побережья Охотского моря, тянется узкая полоса мерзлоты с островами таликов.

Вода в жидкой фазе вообще антагонист мерзлоты. Под крупными реками — Печорой, Обью, Енисеем, Леной, Индигиркой, Колымой и некоторыми более мелкими залегают талые горные породы в виде щелей, рассекающих мерзлую толщу. Нет мерзлоты и под крупными озерами, где талики напоминают колодцы среди мерзлых грунтов. Под непромерзающими зимой речками, озерами и даже под мощными конусами выноса на некоторую глубину грунты сохраняются талыми в виде корытообразных впадин в мерзлых породах. Мощность таких талых впадин увеличивается в связи с интенсивностью циркуляции воды и по направлению к нижней части гор и южной границе зоны многолетней мерзлоты. Отепляющее действие на почвогрунты оказывают и надувы снега, причем, чем рыхлее снег, тем сильнее его отепляющее действие. В местах ежегодных надувов, например на Урале, западной окраине гор Путорана, зафиксированы талики.

При ритмичном многолетнем потеплении климата талики расширяются, а при похолодании сокращаются. Во всяком случае, это установлено для вековых (восьмидесятилетних) ритмов. Это имеет немаловажное практическое значение для расчета фундаментов построек, при планировании способа проходки горных выработок, прокладке путей сообщения и проведении других инженерных мероприятий. В настоящее время (70-е годы) век потепления прошел или подходит к концу, и следующий век будет ознаменован сокращением таликов и расширением островов мерзлоты, в первую очередь в тундролесье.

В отличие от воды горные породы не аккумулируют солнечное тепло и все тепло, полученное в течение теплого сезона, полностью отдают за время холодного периода. Длительность холодного периода при низких температурах воздуха способствует развитию мерзлоты грунтов в тундролесье. Горные породы, не содержащие свободной воды, а следовательно, льда или содержащие ее в незначительных количествах, протаивают относительно быстро, но еще быстрее промерзают. Более плотные монолитные горные породы обладают значительной теплопроводностью, и в них обычно отмечается более мощный слой мерзлоты. Иначе говоря, чем выше степень диагенеза и метаморфизма или чем древнее горная порода, тем выше их теплопроводность. Рыхлый покров на кристаллических породах, подобно снегу, способствует уменьшению мощности мерзлого слоя. Пески и особенно глины оказывают отепляющее влияние на подстилающие горные породы. Следовательно, наибольшие мощности многолетнемерзлых горных пород следует ожидать на кристаллических щитах, в горах, на платформах вне мощного рыхлого чехла и меньшие мощности — в молодых впадинах, в межгорных котловинах, в долинах. В этом же направлении действует распространение теплового потока относительно форм рельефа. Более отепляются горные породы (тепловой поток идет более плотно) в отрицательных формах рельефа (Болобаев, 1974). Торфяной, моховой и вообще растительный покров как теплоизоляционный в теплый период года защищает мерзлоту от протаивания. Зимой же, промерзая, мох и торф теряют свои изоляционные качества, становятся теплопроводными и ни в коей мере не защищают горные породы от промерзания. Вообще в любых условиях фронт отрицательных температур в грунтах (промерзание) движется значительно быстрее, чем фронт температур положительных. Амплитуды же отрицательных температур в грунтах затухают с глубиной медленнее положительных, т. е. промерзание идет быстрее и захватывает более мощные толщи, чем их оттаивание.

После перехода среднесуточных температур воздуха от положительных к отрицательным в течение не более двух месяцев фронт промерзания движется равномерно. Затем скорость промерзания резко снижается. В марте понижение температуры горных пород практически не наблюдается (Болобаев, 1974). Слой, в котором происходит понижение температуры за зиму, называется слоем (глубиной) сезонного промерзания.

Толща многолетней мерзлоты грунтов имеет три основных горизонта: 1 — оттаивающий летом от 0,2 м на севере (под мхом) до 3 м на юге (в песчаных грунтах, не покрытых торфом или мхом) — этот слой называется деятельным; 2 — подстилающий деятельный слой не прогревается до положительных температур, но его температура повышается летом и понижается зимой, что вызывает напряжение в горных породах, сопровождающееся трещиноватостью до 2—4 м ниже деятельного слоя; 3 — ниже идет мощный мерзлый слой с постоянной отрицательной температурой.

Для тундролесья зафиксированы следующие максимальная мощность и минимальная температура третьего слоя мерзлых пород (по разным источникам):

Различают 5 мерзлотно-температурных зон (Кудрявцев, 1954):

• I — от 0 до —1°, характерная для сезонномерзлых пород и островного распространения мерзлоты;
• II — от —1 до —3° — для островной и мерзлоты с таликами;
• III — от —3 до —5° — в основном для южной части сплошной мерзлоты;
• IV — от —5 до —10° — наибольшая площадь сплошной мерзлоты;
• V — ниже —10° — в наиболее континентальной части.

Почти ³/₄ территории тундролесья относится к IV и V мерзлотно-температурным зонам, и именно здесь зафиксированы наиболее низкие температуры. Из приведенных выше данных видно, что и на многолетнемерзлых грунтах сказывается долготная зональность. Кольский полуостров охвачен наименее густой сетью мерзлых островов грунта, имеющих малые значения отрицательных температур. За последнее столетие мерзлота подвергалась здесь значительной деградации. Несколько шире мерзлые грунты, но также деградировавшие, распространены между Белым морем и Уралом. Тундролесье Урала уже относится к II и III зонам, так же как и Западная Сибирь, и правобережье Енисея. Однако не везде многолетнемерзлые грунты монолитны на всю глубину. В тундролесье Западной Сибири обнаружено два слоя разобщенных мерзлых пород: верхний, в 30—80 м, подстилается талыми породами с температурой до 0,5°, а на 100—150 м ниже талого слоя до 360—400 м идет второй, реликтовый мерзлый слой. Это свидетельствует о длительных и существенных колебаниях климата в прошлом. Грунты между горами Путорана и Колымским нагорьем охвачены сплошной мерзлотой, не считая подрусловых таликов, причем до Верхоянского нагорья это преимущественно IV мерзлотно-температурная зона, а восточнее — IV и V. Крайний Северо-Восток — южный макросклон Колымского нагорья относится к нескольким зонам — от II до IV.

Поскольку грунты имеют отрицательную температуру, то вся заключенная в них свободная вода замерзает. Подземные льды — специфическая особенность многолетнемерзлых грунтов. Не замерзают лишь высокоминерализованные (соленые) воды, которые могут иметь отрицательные температуры в жидком состоянии (криопаги), термальные источники, пронизывающие мерзлую толщу по таликовым каналам, карстовые, интенсивно циркулирующие воды по тектоническим разломам. В остальных случаях пресные воды, которые составляют подавляющую часть воды в почвогрунтах Субарктики, превращаются в лед. И это весьма существенная особенность тундролесья, так как нередко ледяные включения достигают 70—80% объема грунтов в двух первых слоях многолетнемерзлых пород.

Поскольку вода, замерзая, увеличивает свой объем от 9 до 11%, а оттаивая, сокращает его, в деятельном слое происходят значительные пертрубации с сезонным водонасыщением этого слоя.

Подземные льды имеют разнообразный генезис. По длительности существования различаются кратковременные, сезонные и многолетние льды. Они могут образоваться одновременно с теми отложениями, в которых заключены, например, во время накопления пойменных осадков — сингенетические льды. Но большая часть подземных льдов эпигенетического происхождения, т. е. внедрившихся в уже отложенные горные породы. В первую очередь это обычный для мерзлоты лед-цемент, образующийся за счет замерзания воды в порах горной породы без существенного нарушения ее. Жильными льдами называют льды в трещинах пород. Инъекционные льды — результат выжимания воды, скопившейся на контактах твердых и рыхлых пород или в трещинах выветривания. Вода в порах горных пород, особенно в водонасыщенных песках, подтягивается к фронту промерзания. Замерзая в тонкодисперсных породах, она образует ледяную решетку — сегрегационные или миграционные льды. В этом случае образуются очень мощные ледяные линзы, похожие на инъекционные льды. Кроме льда-цемента для Субарктики наиболее характерны повторно-жильные льды. Они формируются в виде полигональной решетки на равнинах в результате замерзания воды в морозобойных трещинах. Квадратные полигоны в 30—60 м в поперечнике, отороченные валиками выжатого в процессе замерзания грунта, широко распространены по всем равнинным низменностям северной половины тундролесья. Классический пример повторно-жильных льдов до 50—80 м мощности при ширине 8—10 м по поверхности можно наблюдать в обнажении высокой террасы р. Яны. Такие жилы нарастают постепенно в течение десятков лет (Втюрин, 1976). Подземные льды образуются в карстовых пещерах, подземных выработках, а также при погребении обвалами горных снежников, ледников, наледий и озерных льдов. Однако по сравнению с первой группой ископаемых льдов последние почти не имеют ландшафтообразующего значения.

Главной причиной влияния мерзлоты на остальные компоненты ландшафта помимо отрицательной температуры грунтов следует считать процессы криолитогенеза, заключающиеся в мерзлотных выветриваниях и диагенезе (Попов, 1967). При криогенном диагенезе происходит миграция воды к фронту промерзания и обезвоживание горных пород, что сопровождается уплотнением и сжатием минеральных частиц, особенно в тонкодисперсных породах. При замерзании и оттаивании воды, циркулирующей в трещинах, плотные породы разрушаются. При этом происходит не только физическое дробление, но и реакции обмена между минеральным вмещающим субстратом и соединениями, растворенными в воде (Тютюнов, 1960). Превращение льда в воду вызывает потерю им цементирующего значения в тонкодисперсных породах. Часть высвободившейся воды идет на набухание прежде обезвоженных частиц грунта (гидротация), часть остается свободной в виде капиллярной воды, а часть перемещается в силу гравитационных законов, увлекая за собой минеральные частицы. Оттаивание и отток воды сопровождаются осадками субстрата. Ежегодное изменение агрегатного состояния воды в деятельном слое приводит к существенным пертрубациям физико-химического состояния грунтов, формирует характерный микро- и мезорельеф, способствует ускорению рельефообразования, формированию мерзлотных почв — подбуров, влияет на «отбор» растений и их распределение по формам рельефа, создает нетерпимые условия для жизни многих организмов, и особенно пресмыкающихся, некоторых червей и зсмлероев. Таким образом, мерзлота грунтов и особенно входящие в них льды выступают очень важным фактором ландшафтообразования тундролесья.

Кроме ландшафтообразующего значения многолетняя мерзлота грунтов с присущими ей процессами криолитогенеза диктует необходимость специфических приемов природопользования, и в первую очередь при инженерном освоении территории. Без детального знания мерзлотных условий и прогнозирования сезонных и многолетних процессов, происходящих особенно в двух верхних слоях мерзлой толщи, не может быть рентабельным строительство зданий, дорог, аэродромов, мостов, трубопроводов, плотин, подземных сооружений, карьеров и т. п. В любой проект освоения территорий тундролесья совершенно необходимо закладывать прогноз и меры предупреждения нежелательных мерзлотных процессов. Так, совершенно недопустимо возводить сооружения на мерзлых грунтах без их защиты от протаивания. Протаивание неизбежно ведет к осадке и обводнению, а следовательно, к разрушению построек или затоплению горных выработок, хранилищ и т. п. на второй или третий год после сооружения.

Советскими мерзлотоведами разработаны многие методы предупреждения разрушительных мерзлотных процессов при строительстве: дома на железобетонных сваях вместо фундаментов, полые сваи для мостов, изоляционные насыпи и водоотводы на дорогах и многое другое. Наоборот, при разработке нефти, газа, артезианских вод нужно искусственное формирование таликов путем взрывов, закачки воды или другими способами повышения температуры горных пород до положительных значений.

Освоение Севера все чаще сталкивается с новыми проблемами покорения многолетней мерзлоты грунтов. Они оказываются наиболее сложными в преодолении из всех других противодействующих природных сил и особенно в проблемах водоснабжения.