Что такое многолетняя мерзлота в географии определение. Где можно встретить многолетнюю мерзлоту? Классификация подземных вод

На вопрос значение Многолетний мерзлоты заданный автором Простреливать лучший ответ это «Вечная мерзлота» (Многолетняя криолитозона) - часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общей площадью 35 млн км². Распространение - север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана.
Районы вечной мерзлоты - верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2-3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне вечной мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1000 метров.
Вечная мерзлота - явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Единственные материки, где вечная мерзлота отсутствует, - это Австралия и Африка. Значительная часть вечной мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьирует от нескольких до 90 %. В вечной мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности гидрата метана.
Одно из первых описаний вечной мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина.
Термин «вечная мерзлота» , как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в 1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным. Он определял его, как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий . Слово мерзлота при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. В последствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения.
65 % территории России - районы вечной мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.
Самый глубокий предел вечной мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания вечной мерзлоты - 1370 метров, зафиксирована в феврале 1982 года.
Учёт вечной мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере. Так, большие дома в районах севера строятся по специальным технологиям, в частности, построенную коробку панельного дома оставляют на несколько лет, чтобы дом устоялся. Если почва под ним начинает плыть, то его разбирают и собирают в новом месте.
Вечная мерзлота создает множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промерзшие породы обладают исключительно высокой вязкостью, и их сложно добывать. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось построить в Якутии уникальные карьеры (например, карьер трубки Удачная) с почти отвесными стенками) . Борта этих карьеров держит лёд, а в более теплом климате они бы неизбежно поплыли.
Строительство в зоне вечной мерзлоты
Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена.

Ответ от юрий антонов [новичек]
Вечная мерзлота, это грунты которые содержат замерзшую воду и имеют температуру ниже нуля. В этой статье мы поговорим о том, что такое вечная мерзлота и какие типы местности различают в зависимости от условия зоны распространения вечно мерзлых грунтов.
Вечная мерзлота всегда содержит лед, который может содержаться в виде кристаллов в порах между частицами грунта или в виде толстых ледяных прослоек в толще грунта. При оттаивании мерзлые грунты содержащие значительное количество льда оказываются избыточно увлажненными. Поэтому здания и сооружения которые возводятся на таких грунтах претерпевают значительную осадку.
Слой грунта который в холодный период года замерзает а по весне оттаивает называют деятельным слоем. Если такой слой соединяется с поверхностью зоны вечной мерзлоты, тогда такая поверхность называется сливающейся. Мощность пласта деятельного слоя зависит от экспозиции склонов, от рельефа местности от влажности и состава грунтов.
Также зависит от климатических факторов и растительного покрова. Грунт оттаивает в большей степени с южной стороны на склонах чем с северной стороны. Травяной покров, деревья и кустарники способствуют тому, что вечная мерзлота расположена под ними ближе чем на других открытых участках. Это объясняется тем, что они создают тень, которая препятствует оттаиванию вечно мерзлого грунта в глубину.
Например в торфяно-моховых болотах которые имеют глубину от 10 сантиметров до нескольких метров, даже в теплое время года уровень мерзлого грунта расположен на глубине не дальше одного метра. Мощность деятельного слоя в среднем составляет от 1 до 2 метров в песчаных грунтах Крайнего Севера. В глинистых и торфяно-болотных от 0.39 до 1.29 метра. В южных районах мерзлых грунтов глубина деятельного слоя может достигать 2.5-4.5 метров. Вечная мерзлота распространяется на 47% территории бывшего Советского Союза. В зависимости от условия зоны распространения вечной мерзлоты различают следующие типы местности:
1. Места сухие с обеспеченным поверхностным стоком. Такими местами могут быть крутые склоны сопок, каменистые возвышенности, участки с близким залеганием твердых скальных пород и другие. Такие грунты не меняют свои свойства при замерзании или оттаивании. При обеспеченном поверхностном стоке талых вод мощность деятельного слоя на таких участках составляет от 2.5 метра и выше.
2. Сырые места с избыточным увлажнением местности в отдельные периоды года и признаками поверхностного заболачивания. Такими местами могут быть пологие склоны гор южной экспозиции, плоские водоразделы, сложенные песчаными и глинистыми просадочными грунтами с относительной влажностью 0.71-0.91 от предела текучести. При необеспеченном поверхностном стоке летнее оттаивание грунта не превышает 2.5 метра.
Более подробную информацию вы найдете тут: ссылка

Современные ледники занимают на территории России небольшую площадь, всего около 60 тыс. км 2 , однако в них заключены большие запасы пресной воды. Они являются одним из источников питания рек, значение которого особенно велико в годовом стоке рек Кавказа.

Основная площадь современного оледенения (более 56 тыс. км 2) находится на арктических островах, что объясняется их положением в высоких широтах, обусловливающим формирование холодного климата.

Нижняя граница нивальной зоны опускается здесь почти до уровня моря. Оледенение сосредоточено в основном в западных и центральных районах, где выпадает больше атмосферных осадков. Для островов характерно покровное и горно-покровное (сетчатое) оледенение, представленное ледниковыми щитами и куполами с выводными ледниками. Самый обширный ледниковый покров расположен на Северном острове Новой Земли . Длина его по водоразделу составляет 413 км, а наибольшая ширина достигает 95 км.

При движении к востоку все большая часть островов остается свободной ото льда. Так, острова архипелага Земли Франца-Иосифа почти сплошь покрыты ледниками, на Новосибирских островах оледенение характерно лишь для самой северной группы островов Де-Лонга , а на острове Врангеля покровного оледенения нет -- здесь встречаются лишь снежинки и небольшие леднички.

Толщина ледниковых покровов арктических островов достигает 100-300 м, а запас воды в них приближается к 15 тыс. км 2 , что почти в четыре раза больше годового стока всех рек России. Оледенение горных областей России и по площади, и по объему льда значительно уступает покровному оледенению арктических островов. Горное оледенение характерно для наиболее высоких гор страны -- Кавказа, Алтая, Камчатки, гор Северо-Востока, но встречается и в невысоких горных массивах северной части территории, где снеговая граница лежит низко (Хибины, северная часть Урала, горы Бырранга, Путорана, Хараулахские горы), а также в районе Маточкина Шара на Северном и Южном островах Новой Земли.

Многие горные ледники лежат ниже климатической снеговой границы, или "уровня 365", на котором снег сохраняется на горизонтальной подстилающей поверхности в течение всех 365 дней в году. Существование ледников ниже климатической снеговой границы становится возможным за счет концентрации больших масс снега в отрицательных формах рельефа (часто в глубоких древних карах) подветренных склонов в результате метелевого переноса и схода лавин.

Площадь горного оледенения России немногим превышает 3,5 тыс. км 2 . Наиболее широко распространены каровые, карово-долинные и долинные ледники . Большая часть ледников и площади оледенения приурочена к склонам северных румбов, что обусловлено не столько условиями снегонакопления, но и большей затененностью от солнечных лучей (инсоляционными условиями). По площади оледенения среди гор России первое место занимает Кавказ (994 км 2). За ним следует Алтай (910 км 2) и Камчатка (874 км 2). Менее значительное оледенение характерно для Корякского нагорья, хребтов Сунтар-Хаята и Черского. Оледенение других горных районов невелико. Самыми крупными ледниками России являются ледник Богдановича (площадь 37,8 км 2 , протяженность 17,1 км) в Ключевской группе вулканов Камчатки и ледник Безенги (площадь 36,2 км 2 , протяженность 17,6 км) в бассейне Терека на Кавказе.

Ледники чутко реагируют на колебания климата. В XVIII -- начале XIX вв. начался период общего сокращения ледников, который продолжается и поныне. Внутренние воды России представлены не только скоплениями жидкой воды, но и воды в твердом состоянии, образующей современное покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин "вечная мерзлота").

Криолитозона -- верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000...-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

Горные породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта. Многолетняя мерзлота -- необычное явление природы, на которое обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. О ней упоминал в своих работах В.Н. Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я. Барановым и многими другими учеными.

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км 2 , что составляет почти 65% территории страны (см. рис.1).

Рис. 1.

Южная ее граница проходит по центральной части Кольского полуострова, пересекает Восточно-Европейскую равнину близ полярного круга, по Уралу отклоняется к югу почти до 60° с.ш., а вдоль Оби -- к северу до устья Северной Сосьвы, далее проходит по южному склону Сибирских Увалов к Енисею в районе Подкаменной Тунгуски. Здесь граница круто поворачивает к югу, проходит вдоль Енисея, идет по склонам Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке граница мерзлоты идет от Амура к устью Селемджи (левого притока Зеи), затем по подножию гор левобережья Амура к его устью. Мерзлота отсутствует на Сахалине и в прибрежных районах южной половины Камчатки. Пятна мерзлоты встречаются южнее границы ее распространения в горах Сихотэ-Алиня и в высокогорьях Кавказа.

В пределах этой обширной территории условия развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные районы Сибири, острова азиатского сектора Арктики и северный остров Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой . Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет -6...-12°С, а его мощность достигает 300-600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (-2...-6°С), а мощность уменьшается до 50-300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25-50 м. Это -- островная мерзлота .

В мерзлой толще концентрируются большие запасы воды в виде подземных льдов. Часть их образовалась одновременно с вмещающими породами (сингенетические льды), другая -- при замерзании воды в ранее накопившихся толщах (эпигенетические). Большая мощность многолетней мерзлоты, находки в ней хорошо сохранившихся мамонтов свидетельствуют о том, что многолетняя мерзлота -- продукт весьма продолжительного накопления холода в толщах горных пород. Подавляющее большинство исследователей считает ее реликтом ледниковых эпох. Современный климат на большей части территории распространения мерзлоты лишь способствует ее сохранению, поэтому малейшее нарушение природного равновесия ведет к ее деградации. Это необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории, в пределах которой распространена мерзлота.

Многолетняя мерзлота оказывает влияние не только на подземные воды, режим и питание рек, распространение озер и болот, но и на многие другие компоненты природы, а также на хозяйственную деятельность человека. При разработке полезных ископаемых, прокладке дорог, строительстве, при проведении сельскохозяйственных работ необходимо тщательно изучать мерзлый грунт и не допускать его деградации.

Вода, находящаяся в недрах и на поверхности, промерзает на глубину до 500 м и более. Свыше 25% поверхности всей суши Земли заняты вечномёрзлыми породами. В нашей стране более 60% такой территории, ведь в зоне её распространения лежит почти вся Сибирь.

Это явление получило название многолетней, или вечной мерзлоты. Однако климат со временем может меняться в сторону потепления, так что термин «многолетняя» более подходит для этого явления.
В летние сезоны - а они здесь очень недолгие и скоротечные - верхний слой поверхностных грунтов может оттаивать. Однако ниже 4 м находится слой, который не оттаивает никогда. Грунтовая вода может находиться либо под этим мёрзлым слоем, либо сохраняться в жидком состоянии между многолетнемёрзлыми толщами (она образует водяные линзы - талики) или над мёрзлым слоем. Верхний слой, который подвержен промерзанию и оттаиванию, называется деятельным слоем.

ПОЛИГОНАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

Лёд в грунте может образовывать ледяные жилы. Часто они возникают в местах морозобойных (образующихся при сильных морозах) трещин, заполняемых водой. При замерзании этой воды грунт между трещинами начинает сдавливаться, ведь лёд занимает большую площадь, чем вода. Образуется слегка выпуклая поверхность, обрамлённая понижениями. Такие полигональные грунты покрывают значительную часть поверхности тундры. Когда наступает недолгое лето и ледяные жилы начинают оттаивать, образуются целые пространства, похожие на решетку из кусочков суши, окружённых водными «каналами».

Среди полигональных образований широко распространены каменные многоугольники и каменные кольца. При многократном промерзании и оттаивании земли происходит вымораживание, выталкивание льдом на поверхность более крупных обломков, содержащихся в грунте. Таким путем происходит сортировка грунта, поскольку его мелкие частицы остаются в центре колец и многоугольников, а крупные обломки смещаются к их краям. В результате появляются валы камней, обрамляющие более мелкий материал. На нем иногда селятся мхи, и осенью каменные многоугольники поражают неожиданной красотой: яркие мхи, иногда с кустиками морошки или брусники, окружённые со всех сторон серыми камнями, похожи на специально сделанные садовые клумбы. В поперечнике такие многоугольники могут достигать 1 -2 м. Если поверхность не ровная, а наклонная, то многоугольники превращаются в каменные полосы.

Вымораживание из грунта обломков приводит к тому, что на вершинных поверхностях и склонах гор и холмов в зоне тундры возникает хаотическое нагромождение крупных камней, сливающихся в каменные «моря» и «реки». Для них существует название «курумы».

БУЛГУННЯХИ

Этим якутским словом обозначается удивительная форма - холм или бугор с ледяным ядром внутри. Он образуется благодаря увеличению объёма воды при замерзании в надмерзлотном слое. В результате лёд приподнимает поверхностную толщу тундры и возникает бугор. Крупные булгунняхи (на Аляске их называют эскимосским словом «пинго») могут достигать до 30-50 м высоты.

На поверхности планеты выделяются не только пояса сплошной многолетней мерзлоты в холодных природных зонах. Существуют участки с так называемой островной . Она существует, как правило, в высокогорьях, в суровых местах с низкими температурами, например в Якутии, и является остатками — «островками» — прежнего более обширного пояса многолетней мерзлоты, сохранившейся со времени последнего .

Поиск по сайту.

На значительной части суши - на 25% ее площади, там, где средние годовые температуры отрицательные, на некоторой глубине от поверхности породы многие годы имеют отрицательную температуру. Слои пород с отрицательной температурой называются многолетнемерзлыми слоями - многолетней («вечной») мерзлотой. Многолетняя мерзлота может быть сухой, не содержащей воды, но значительно чаще она содержит замерзшую воду, а иногда в ней присутствует и жидкая вода.
Граница многолетней мерзлоты на материке Евразии делит Кольский п-ов на северную (большую) и южную (меньшую) части и от горла Белого моря по полярному кругу идет к Уралу. На Уральских горах граница резко изгибается к югу, а затем выходит на Западно-Сибирскую равнину и пересекает ее от Оби (г. Тобольск) до Енисея (устье Подкаменной Тунгуски). По правому берегу Енисея граница спускается на юг, захватывает часть территории Монгольской Народной Республики, снова выходит на территорию России у г. Благовещенска и, делая небольшой изгиб к югу, поворачивает к Татарскому проливу. Граница многолетней мерзлоты проходит по Камчатке таким образом, что за ее пределами остается только полоса вдоль берега южной половины полуострова. В Северной Америке многолетняя мерзлота занимает бассейны Юкона, Макензи, Гудзонова залива и северную половину Лабрадора (рис. 86).
Многолетняя мерзлота отмечена на арктических и антарктических островах. Вопрос о наличии многолетней мерзлоты на суше, покрытой материковыми льдами (Гренландия, Антарктида), пока нельзя считать выясненным.
Граница многолетней мерзлоты подвижна. В настоящее время отмечается некоторое отступление ее к северу.
На территории, расположенной внутри границы распространения многолетней мерзлоты, выделяются области со сплошной мерзлотой, области с таликами и островная многолетняя мерзлота.

Температура многолетней мерзлоты на глубине 15-20 м изменяется в пределах от -0,1 до -1,2° в зависимости от комплекса условий (рельефа, растительности, высоты снежного покрова и др.). Под «полосами стока» (реки или грунтовые потоки) температура повышается и часто многолетней мерзлоты вообще нет или она залегает глубже, чем на соседних участках.
Мощность многолетней мерзлоты различна (от нескольких метров до 600-800 м). В общем мощность по направлению от средних, к высоким широтам увеличивается. Наибольшая мощность многолетней мерзлоты - 800 м - отмечена на побережье Хатангского залива. Нижняя граница многолетней мерзлоты зависит от прихода тепла из более глубоких земных слоев.
Выше многолетней мерзлоты, на поверхности, расположен слой сезонной мерзлоты, оттаивающий в теплое время года. Мощность этого слоя определяется климатическими условиями и достигает 5 м. При глубоком залегании многолетней мерзлоты от сезонной мерзлоты ее отделяет слой, вообще не замерзающий.
Подземные воды в условиях многолетней мерзлоты отличаются большим своеобразием. Образующийся при замерзании воды в порах породы лед цементирует породу, делая ее водонепроницаемой. Местами встречаются скопления подземного льда («каменный лед»): линзы, пласты, жилы, погребенные под слоем горной породы или вклинивающиеся в породу. В многолетней мерзлоте выделяют надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные подземные воды.
Надмерзлотные воды - воды слоя сезонной мерзлоты. Они питаются атмосферными осадками, водой тающих летом почвенных льдов и не обильны. Обычно эти воды слабоминерализованы, исключение представляют сильноминерализованные воды, скапливающиеся в бессточных котловинах. При понижении температуры ниже 0° надмерзлотные воды оказывают давление на еще не замерзшую воду, последняя скапливается в местах с наименьшим давлением и, замерзая, поднимает уже замерзшие верхние слои, образуя гидролакколиты и бугры (булгунняхи). Вода, прорвавшаяся на поверхность, превращается в ледяные бугры - наледи. Надмерзлотные воды в теплое время года выходят на поверхность многочисленными источниками.
Межмерзлотные воды находятся в самой толще мерзлоты и могут быть в незамерзшем состоянии только в том случае, если находятся в движении. Чаще их можно наблюдать на участках таликов. Межмерзлотные воды осуществляют связь вод надмерзлотных с подмерзлотными; при этом движение их может быть нисходящим и восходящим. В первом случае они питаются надмерзлотными водами и их качества (температура, соленость) обнаруживают зависимость от внешних условий; во втором - питаются подмерзлотными водами и имеют общие с ними свойства.
Подмерзлотные воды никогда не замерзают и часто имеют напор. Степень их минерализации различна, температура с глубиной повышается. От подземных вод областей, не имеющих многолетней мерзлоты, подмерзлотные воды отличаются условиями питания и разгрузки. Питаются эти воды через талики, а выходя на поверхность, образуют восходящие источники. Все три типа вод взаимодействуют под долинами крупных рек и в котловинах озер, т. е. там, где многолетняя мерзлота отсутствует.
Возникновение многолетней мерзлоты возможно в условиях низких температур при малой мощности снежного покрова, неспособного предохранить породы от промерзания. Такие условия существовали в ледниковую эпоху в областях, не покрытых льдом, и существуют в настоящее время там, где зима суровая и малоснежная, а лето такое короткое, что промерзший зимой слой не успевает оттаять (например, в Якутии). Многолетняя мерзлота могла сохраниться как реликт последней эпохи оледенения, но она может возникать и в современных условиях. Возникновение многолетней мерзлоты наблюдается на вновь образующихся островах в дельтах рек, впадающих в Северный Ледовитый океан.

Многолетняя мерзлота имеет широкое распространение и находится главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура.Происхождение вечной мерзлоты до настоящего времени еще неясно. Первые исследователи считали вечномерзлые породы остатком древних оледенений. Наличие ископаемого льда и теория фазовой завесы могли служить подтверждением таких взглядов. Однако в настоящее время установлено несовпадение между границами оледенений и современными границами залегания вечномерзлых пород. Такие исследователи, как Мидендорф и Г.Вильде, связывали образование вечной мерзлоты с местными климатическими условиями.

Замечено, что выше уровня моря на каждые 200 м подъема среднегодовая температура падает примерно на 1 °С.Вечная мерзлота, по мнению Г.Вильде, могла образоваться в районах со среднегодовой температурой -2°С и ниже.Современные границы залегания вечномерзлых пород достаточно близко отвечают этому условию. М.И.Сумгин исходит из того, что в конце плиоцена начались сильные похолодания. Периодически повторяясь, эти похолодания вызвали дефицитный баланс тепла и обусловили появление многолетней мерзлоты. По времени эти похолодания могли быть связаны с оледенениями первой половины четвертичного периода.

Таким образом, М.И. Сумгин как бы обобщает предыдущие гипотезы.Однако следует считать, что происхождение многолетней мерзлоты пока еще не выяснено окончательно.Исследования, которые проводятся в настоящее время, вероятно, дадут возможность решить этот вопрос.

Происхождение вечной мерзлоты

Мерзлые породы независимо от своего состава, как правило, водонепроницаемы.Поэтому подземные воды в областях залегания вечномерзлых пород можно разделить на три основных типа: подмерзлотные, межмерзлотные и надмерзлотные.
Подмерзлотные воды, залегающие ниже слоя вечномерзлых пород, по своим свойствам практически не отличаются от подземных вод в обычных условиях. В более северных широтах они развиты в коренных породах, а в более южных-в аллювиальных отложениях долин.Подмерзлотные воды часто обладают напором и могут быть использованы в качестве источника водоснабжения.

Межмерзлотные воды залегают в слое вечномерзлых пород.Как правило они приурочены к местным таликам и представляют собой изолированныескопления воды, иногда имеющие связь с подмерзлотными и надмерзлотными водами.Запасы межмерзлотных воды весьма ограничены, так как объем таликов, к которым они приурочены, незначителен.Вне таликов межмерзлотные воды могут встречаться в твердой фазе, образуя ископаемый лед.

В условиях слоистой серзлоты эти воды могут образовать сплошной водоносный горизонт и быть напорными или ненапорными, так же как и межпластовые воды в обычных условиях.В отдельных случаях возможно движение межмерзлотных вод по трещинам и другим нарушениям в толще мерзлоты. Такие воды могут быть уподоблены трещинным водам немерзлых зон.

Надмерзлотные воды представляют наибольший интерес. По характеру залегания они подобны грунтовым, так как имеют водонепроницаемое мерзлое ложе и свободную поверхность (рис-1).В районах сливающейся мерзлоты надмерзлотные воды являются сезонно промерзающими, превращаясь в зимнее время в лед.В районах несливающейся мерзлоты эти воды могут быть сезонно полупромерзающими, когда замерзает их только их верхняя часть находящаяся в деятельном слое, или непромерзающими в тех случаях когда весь водоносный горизонт находится в талике.

Рисунок-1. Схемы залегания надмерзлотных вод:

а-сезоннопромерзающая; б-сезоннополупромерзающая; в-сезоннонепромерзающая;

Движение надмерзлотных вод вызывается прежде всего теми же причинами и происходит по тем же законам, что и движение подземных вод в немерзлотных условиях и кроме того, давлением развивающимся в замкнутом пространстве, так как заключенная в нем вода замерзает и увеличивается при этом в объеме примерно на 9%.В мерзлотных условиях этот вид движения надмерзлотных вод имеет очень большое значение.

Известно, что вода замерзающая в замкнутом пространстве, может быть переохлаждена и находится в силу этого под большим давлением.Насколько велика сила давления переохлаждения, видно из известного примера с заготовкой льда в ящике. Для заготовки льда ящик размерами 30 х 10 х 6 м сразу заполнили водой, вместо того чтобы последовательно заливать ее и замораживать тонкими слоями. Вода начала замерзать сразу со всех сторон, а ее внутренняя часть оказалась под огромным давлением и, вероятно, в состоянии переохлаждения.

Произошел взрыв громадной силы, выбросивший глыбы льда объемом по несколько кубических метров на расстоянии до 20-30 м.Более мелкие куски льда были отброшены на еще большие расстояния.Из сказанного видно, что напор переохлаждения является достаточным для того, чтобы вызвать движение воды.

Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлых пород

Наледи:

Как уже было указано, вода заполняющая поры нескальных пород, при замерзании играет роль достаточно прочного цемента и превращает породу в твердую монолитную массу.Этот процесс сопровождается изменением объема породы при замерзании и оттаивании и характеризуется величиной относительного сжатия δ.При переходе мерзлого грунта в оттаявшее состояние δ представляет отношение изменения толщины слоя грунта при оттаивании под нагрузкой к его первоначальной толщине и выражается формулой:

δ=(hm-ht)/hm=(em-et)/(1+em) (1)

где hm-толщина слоя мерзлого грунта; ht-толщина слоя того же грунта после перехода в оттаявшее состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении; em-коэффициент пористости породы природного сложения в мерзлом состоянии; et-коэффициент пористоти породы природного сложения после ее перехода в талое состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении. Для глинистых пород et определяется при влажности на границе текучести, для песчаных -при оттаивании образца безвстряхиваия в условиях свободного стекания талой воды. при достаточно больших значениях δ в случае оттаивания мерзлого слоя происходит резкое уменьшение занятого им объема, что в свою очередь, вызывает значительные просадки.

Очевидно что если известны величина относительного сжатия мерзлого грунта при оттаивании δ и мощность возможного протаивания мерзлоты h, то суммарная величина просадки при протаивании S=δh.В процессе перехода деятельного слоя из талого состояния в мерзлое и обратно возникает ряд инженерно- геологических явлений.Широко распространены наледи, ледяные бугры (булгуняхи),солифлюкция, термокарст и другие. Наледи образуются подземной водой, вырывающейся зимой на поверхность.В замерзающей надмерзлотной воде развивается высокое давление.

Переохлажденная вода взрывает образовавшуюся корку льдонасыщенной породы, вырывается на поверхность и в силу состояния переохлаждения немедленно замерзает.Наледи образуют громадные скопления льда в виде натеков и сталактитов по склонам местности, перекрывают полотно дорог.Отмечены случаи, когда замерзающие подземные воды прорывались в подполья и нижние этажи домов образуя в них наледи и вытекали из окон домов своеобразными ледопадами.

Образование наледей на проезжей части дорог объясняется тем, что за счет уплотнения снегового покрова увеличивается глубина промерзания и следовательно, увеличивается давление в замерзшей воде. Для борьбы с образованием наледей на дорогах рекомендуется прокапывать канавы или просто счищать снег вкрест потока подмерзлотных вод. В этих местах образуются зоны более глубокого промерзания, поток надмерзлотных вод будет задержан и образование наледей будет происходить в стороне от защищаемого места.

Наледи имеют самую разнообразную форму и по размерам занимают площади от нескольких десятков квадратных метров до нескольких квадратных километров.И.В. Попов указывает, что известна наледь площадью 20,5 км2 и мощностью 4,5-5,5 м. М.И. Сумгин отмечает в ходе развития наледей четыре стадии:

1) первые дни наледи -лед тонкий, размеры невелики;

2) наледь крепнет, быстро растет в длину и ширину, появляются ледяные бугры;

3) наледь достигает предельной длины и ширины; мощность ее продолжает расти; ледяные бугры раскалываются, из некоторых льется вода; при образовании трещин происходят взрывы, глыбы льда весом до 200 т отбрасываются на расстояние до 10 м и более;

4) наледь тает, рост прекращается, поверхность покрывается углублениями, каналами, рвами, бугры проседают; таяние начинается с весны, но в северных районах затягивается до июля и августа.Иногда наледи сохраняются до зимы и превращаются в многолетние.Если замерзающая вода, поднимаясь по трещинам, не может пробиться на поверхность, то она поднимает верхний слой земли, образуя бугор, (булгунях).Внутри такого бугра имеется купол льда (гидролакколит).

Иногда внутри гидролакколита имеется полость заполненная водой. Деревья поднятые с почвой при образовании бугра наклоняются в разные стороны, образуя пьяный лес. Размеры таких ледяных бугров в поперечнике достигают 80 м и более, а высота их доходит до 10 м в южных и до 30 м в северных районах.

В отдельных зонах залегают большие количества ископаемого льда перекрытого позднейшими отложениями осадочных пород.Ископаемый лед встречается на островах Ледовитого океана и на севере Азиатского материка.Так как отложения, перекрывающие его, по большей части являются моренными, то некоторые исследователи считают, что эти льды представляют погребенные остатки древних ледников.По мнению Попова И.В. , трещинный или жильный, ископаемый лед и ледяные клинья образовались параллельно с накоплением пойменных осадков аллювиальных долин в условиях суровых и малоснежных зим.

Вытаивание подземного льда и протаивание льдистых вечномерзлых грунтов в верхней части многолетнемерзлой зоны вызывают проседание поверхности и образование форм рельефа, по внешнему виду сходных с поэтому такие явления получили название термокарстовых. В зонах развития термокарста встречаются провалы и воронки размером от одного до нескольких метров в диаметре, западины, блюдца и ложбины -пологие понижения, достигающие сотен метров в диаметре и всего лишь десятков сантиметров в глубину, котловины оседания площадью до нескольких квадратных километров при глубине в несколько метров.

Образовавшиеся впадины могут заполняться водой, образуя термокарстовые озера, играющие существенную роль в дальнейшем развитие термокарста.Термокарстовое озеро является как бы тепловой защитой, вызывающей утепление донных отложений.В связи с этим увеличивается глубина донного протаивания, что в свою очередь вызывает развитие термокарста. Первопричиной возникновения термокарстовых явлений служит обнажение поверхности деятельного слоя в результате вырубки леса или распахивания почвы.

Эти явления могут также возникнуть в результате потепления климата. Термокарст в более слабой степени может наблюдаться во всех районах залегания ледяных линз и прослоек при их таянии. При оттаивании льдонасыщенные илистые и глинистые грунты переходят в разжиженное состояние.Такие грунты переувлажненные талыми и дождевыми водами, при углах склона 3-5° начинают течь, образуя натеки, уступы, борозды, террасы и другие формы микрорельефа.Такие явления называются солифлюкцией.

На Крайнем Севере, вдоль Северного побережья, солифлюкция является одним из важнейших факторов в переработке и выравнивании рельефа. В ряде случаев она вызывает образование сложных ступенчатых склонов -нагорных террас.Высота склонов таких террас достигает несколько десятков метров, а крутизна составляет 25-30° и в отдельных случаях доходит до 90 °. Горизонтальные площадки, покрытые солифлюкционными натеками мощностью до 4 м, простираются на сотни метров.

Инженерно-геологические условия строительства в криолитозонах

Своеобразный термический режим в криолитозонах требует особых методов строительства.В настоящее время, в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности изменения свойств грунтов основания в требуемом направлении принимается один из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий и сооружений:

принцип I-вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течении всего заданного периода эксплуатации здания или сооружения;
принцип II-вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации здания или сооружения или и их оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения здания).

Выбор того или иного метода зависит не от желания проектировщиков, а от конструктивных и термических характеристик возводимых зданий и сооружений и от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых грунтов (пород).Поэтому в итоге инженерно-геологические изучения толщ мерзлоты должны быть получены данные о возможности осуществления того или иного метода строительства.

Строительство с сохранением режима вечной мерзлоты является наиболее удобным во многих отношениях.Толщи вечномерзлых пород обладает многими свойствами скальных массивов, поэтому сооружения, фундаменты которых заделаны в мерзлую толщу, получают достаточную устойчивость. Однако любое здание или сооружение передает через фундаменты известное количество тепла.

В зданиях и сооружениях, выделяющих малое количество тепла, возможны такие конструктивные решения фундаментов, при которых температурный режим сжимаемой толщи грунтов практически не изменяется. Все эти конструктивные мероприятия сводятся к тому, чтобы тепло, выделяемое зданием, поглощалось в пределах деятельного слоя и не распространялось на мерзлую толщу.

Тем не менее даже в таких условиях деятельный слой непосредственно под зданием может зимой не промерзнуть.Такой участок будет более слабым по сравнению с окружающими, и в тех случаях, когда в данной местности возможно образование наледей, наледи будут прорываться в подполья и нижние этажи здания.Значительная часть промышленных и гражданских зданий выделяют такие количества тепла, которые неизбежно ведут к нарушению температурного режима мерзлых слоев.

Кроме того во многих промышленных зданиях возможны вибрации от установленных машин. Вибрационная нагрузка способна нарушать прочность льда и переводить его некоторую часть в такое состояние. В таких случаях строительство по методу сохранения температурного режима мерзлых толщ невозможно и следует предусмотреть возможность предварительного или последующего оттаивания. Оттаивание мерзлой толщи резко изменяет не только физико-механические характеристики пород, но и их объем.

Возникает проседание массы грунта под сооружением, в результате чего сооружение теряет устойчивость и прочность. При инженерно-геологических исследованиях в этих последних случаях возникают две задачи: установить возможность применения метода последующего оттаивания и установить зону (или как говорят, чашу) возможного протаивания(рис-2).

Рисунок-2. Образование чаши протаивания под зданием:

tп-температура в помещении; tм-начальная температура мерзлого грунта; b-ширина здания; hc-глубина протаивания под серединой здания; hk-глубина протаивания под краем здания; ξk-величина протаивания сбоку здания.

Для осуществления строительства по методу последующего оттаивания необходимо, чтобы в пределах чащи протаивания не содержалось отдельных скоплений льда в виде линз, штоков и прочее.Оттаивание таких ледяных включений приведет к местному резкому (примерно на 10%) уменьшению объема грунта и вызовет просадку соответствующей части здания или сооружения. Поэтому при исследованиях необходимо особо тщательное изучение строения мерзлой толщи.