Ш1щщшщшщ

Рис. 13.7. Схема миграции воды и сортировки обломочного материала в рыхлой породе (по А. К. Орвину, 1942). а — начало промерзания и миграция воды; б — выталкивание обломков к краям, т. к. в центре структуры создается избыточное давление за счет промерзания

©

Рис. 13.8. Схема образования грунтовых пятен: 1 — трещина в сезонно-мерзлом слое, 2 — сезонно-мерзлый грунт, 3 — вечномерзлый грунт, 4 — талый грунт (по Б. Н. Достовалову, В. А. Кудрявцеву, 1967)

Рис. 13.9. Каменные полосы (а), каменные кольца (б), каменные многоугольники (в)

Рис. 13.10. Основные морфологические типы пятен-медальонов: I — плоские или слабо выпуклые, II — выпуклые на пьедесталах-кочках, III — плоские или вогнутые. 1 — суглинок или супесь, 2 — гумусированный грунт, 3 — торф

когда крупный каменный материал оттесняется к краям полигональ­ных структур, а центр занят мелкоземом. Выпучивание или вымора­живание каменных обломков происходит потому, что под ними рань­ше наступает промерзание и образуются ледяные линзы, которые приподнимают обломки. Летом, когда деятельный слой оттаивает, место ледяной линзы занимает жидкий грунт, вследствие чего обломок не может снова опуститься, а зимой процесс повторяется и обломок вновь приподнимается, пока не окажется на поверхности. Точно так же вы­пучиваются сваи, вкопанные только в деятельный слой.

Процесс неравномерного промерзания в полигональной сети мо- розобойных трещин приводит, как уже говорилось, к увеличению дав­ления внутри отдельно взятого полигона, под действием которого прорвавшийся наверх разжиженный грунт сдвигает в стороны вымо­роженные на поверхность камни, образующие каменные полигоны (рис. 13.11) или каменные многоугольники — площадки с тонким материа­лом в центре и каменными обломками по краям (рис. 13.12). Весь процесс контролируется неоднократным промерзанием и оттаивани­ем деятельного слоя.

Рис. 13.11. Полигональные поля

Рис. 13.12. Сортированные каменные многоугольники. Северная Земля (фото В. Г. Чигира)

13.7. ТЕРМОКАРСТ

Изменение теплового режима в поверхностной части криолитозоны приводит к протаиванию отдельных участков грунта, вытаиванию сегре­гационных и жильных льдов и, как следствие, к просадке грунта и воз­никновению специфических форм термокарстового, отрицательного ре­льефа. Это небольшие углубления, воронкообразные просадки, округлые котловины, как правило, занятые озерами или уже осушенные и называ­емые аласами в Якутии, а в Западной Сибири — хасыреями. Аласы мо­гут быть размером в десятки километров в диаметре и глубиной 30-40 м, а в их днище формируются озерно-болотные отложения (рис. 13.13).

Термокарстовый рельеф особенно широко развит на аллювиальных аккумулятивных равнинах в арктическом и субарктическом поясах, где котловины протаивания чаще всего заняты озерами, вода в которых, аккумулируя тепло, сама способствует дальнейшему протаиванию мерз­лого грунта вплоть до образования подозерных несквозных таликов. В южных районах криолитозоны проявления современного термокар­ста сходят на нет.

Рис. 13.13. Схема последовательных стадий (I-IV) развития аласного рельефа (по П. А. Соловьеву): 1 — суглинок в первичном залегании; 2 — суглинок и отложения ледового комплекса, перемещенные при развитии термокарста; 3 — ледовый комп­лекс; 4 — отложения, подстилающие ледовый комплекс; 5 — озерные и озерно- болотные аласные отложения; 6 — отложения, выполняющие псевдоморфозы по повторно-жильным льдам; 7 — инъекционные и сегрегационные льды; 8 — поверх­ность многолетнемерзлой толщи; 9 — первичная поверхность; 10 — озерные воды

Мерзлые породы чрезвычайно чувствительны к любому, даже само­му незначительному техногенному нарушению природного теплового режима. Строительство дорог, нефте- и газопроводов, вырубка леса, даже след от трактора тут же приводят к изменению теплового равно­весия, начинаются усиление протаивания и развитие термокарста, бо­роться с которыми очень трудно.

Процессы морозного пучения связаны с образованием льда и уве­личением объема породы в деятельном слое, сложенном тонкодиспер­сными породами и торфяниками. Отдельные многолетние бугры пу­чения достигают в высоту 15-20 м и в диаметре 100 м, но чаще — меньше.

Сегрегационные бугры пучения могут быть сезонными и многолет­ними. Они формируются, когда влага устремляется к фронту промер­зания, и при этом образуются шлеры льда, что вызывает увеличение объема и поднятие поверхности. Этот процесс может происходить еже­годно. Зимой с возникшего многолетнего бугра пучения снег сдувает­ся, что вызывает увеличение глубины промерзания и «дополнитель­ную» миграцию влаги, приводящую к интенсивному льдообразованию и, соответственно, росту бугра. Такой процесс может продолжаться сотни лет, и впоследствии бугор пучения как бы умирает, переходя в релик­товое состояние.

Многолетние инъекционные бугры пучения, или булгунняхн (нинго),

возникают в связи с промерзанием таликов, располагающихся часто

под озерами и старицами рек, в частности после осушения термокар­стовых озер, аласов и др. Когда термокарстовое озеро осушается, то талые породы под ним начинают промерзать, а увеличивающееся дав­ление выжимает талый грунт вверх, приподнимая образовавшуюся над ним мерзлотную корку. Образуется бугор пучения, который в дальнейшем растет, т. к. талый грунт все больше и больше промерзает за счет выделения сегрегационного льда. И наконец, вместо талика об­разуется ледяная линза, находящаяся внутри бугра, или булгунняха. Размеры булгунняхов достигают в диаметре 200 м, а в высоту 30-60 м (рис. 13.14 и 13.15).

70 м Рис. 13.14. Разрез булгунняха. Лено-Амгинское междуречье. Центральная Якутия (по П. А. Соловьеву): 1 — супеси, 2 — суглинки, 3 — пески, 4 — лед, 5 — верхняя граница мерзлых пород, 6 — граница ядра с выделением линзочки чистого льда, 7 — напор водоносного горизонта

Рис. 13.15. Разрез бугра пучения в долине р. Хантайки (по Г. С. Константиновой, 1963). 1 — шлиры льда мощностью до 20-25 см; 2 — торф; 3 — суглинок; 4 — глина, 5 — песок; 6 — верхняя поверхность вечной мерзлоты

Гидролакколиты формируются при вторжении напорных надмерз- лотных и подмерзлотных вод в талый грунт в местах разгрузки подзем­ных вод. Во время промерзания образуется также ледяная линза, зале­гающая согласно с вмещающими породами, которые надо льдом приподнимаются, образуя бугры.

Разнообразные процессы пучения в поверхностной части крио­литозоны распространены чрезвычайно широко и обладают различ­ными формами проявления. Структуры пучения создают большие трудности при строительстве в области распространения многолет- немерзлых пород.

Наледи. Зимой в областях вечной мерзлоты многие реки местами промерзают до дна. Вода, которая еще находится на отдельных участках русла и в речном аллювии, ищет выхода и вырывается на лед, растекаясь по нему тонким слоем. Так может повторяться много раз, и в конце концов образуется толща льда мощностью в несколько метров и площа­дью в десятки и сотни квадратных километров. Наледи речных вод пре­кращают свой рост к январю, а наледи грунтовых, межмерзлотных и подмерзлотных вод растут до весны и летом не успевают растаять, обра­зуя большие ледяные массивы — тарыны. Самые крупные наледи изве­стны в Момо-Селенняхской впадине, в районе хр. Черского, например Момский Улахан-Тарын площадью более 100 км² и мощностью до б м. Если нарушить естественные пути движения воды, то наледи будут воз­никать там, где их раньше не было, и мешать строительству мостов, дорог и др. Поэтому осуществляют специальные противоналедные меры.

Таким образом, существуют наледи речных, надмерзлотных и под­мерзлотных вод. Иногда вода не может подняться на поверхность в силу разных причин, например если она попадает в пространство между многолетнемерзлыми породами и промерзшими сезонно-талы- ми слоями. Тогда она, замерзая, превращается в ледяную линзу, кото­рая, увеличиваясь в объеме, приподнимает кровлю, образуя гидролак­колит, или подземную наледь. Такие наледи могут быть однолетними или многолетними, особенно там, где происходит непрерывная раз­грузка подземных вод. Мощность ледяного ядра в таком случае мо­жет достигать 10 м. Но залегает оно, как правило, неглубоко, всего в 2-3 м от поверхности.

13.8. КРИОГЕННЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА, СВЯЗАННЫЕ С ГРАВИТАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Гравитационные процессы на склонах, особенно крутых, в условиях сезонного оттаивания покровных образований приводят к развитию солифлюкции, курумов, оползней.

Солифлюкцией называется медленное вязкопластичное течение рыхлых отложений, происходящее летом над кровлей многолетнемер- злых пород. Интенсивность развития солифлюкции прямо связана с крутизной склонов, т. к. с увеличением крутизны склонов течение происходит сильнее (рис. 13.16).

Рис. 13.16. Схема перемещения частиц и обломков в деятельном слое на склоне — процесс солифлюкции. 1 — деятельный слой; 2 — многолетнемерзлые породы

Процесс солифлюкции зависит от глубины сезонного оттаивания пород, наклона рельефа, характера задернованности и состава отложе­ний. Чаще всего вязкопластичному оползанию подвергаются оттаива­ющие, пылеватые суглинки и супеси, содержащие шлиры льда. В слу­чае покровном солифлюкции течение грунтов осуществляется медленно и равномерно на склонах с крутизной менее 15°. Натечные формы при этом отсутствуют.

Дифференциальная солифлюкция проявляется на склонах в виде тер­рас, оплывин, языков, полос и других форм. Происходит это потому, что скорость смещения грунта в разных местах различна (рис. 13.17).

Быстрая солифлюкция, или сплывы, происходит на склонах до 25°, когда оттаивают льдонасыщенные почвы и породы. Происходит это обыч­но в начале лета, в период быстрого оттаивания грунтов. Скорость дви­жения подобных сплывов достигает нескольких метров в минуту.

Курумы, каменные поля, реки или потоки, состоят обычно из щеб- нисто-глыбового материала скальных пород и развиты на склонах до 40° (рис. 13.18). Процессы курумообразования обусловлены сезонными и суточными колебаниями температуры, которые то расширяют,

Рис. 13.18. Курум. Плато Удокан, Восточная Сибирь

то сокращают размеры обломков, способствуя этим постепенному пе­ремещению блоков вниз по склону. Каменные обломки постепенно вы­мораживаются из мелкоземистого материала, течение которого при от­таивании также перемещает вниз обломки, образующие большие поля или потоки. Они хорошо пропускают воду, и весной под ними, в охлажденных еще породах, образуется гольцовый лед. В теплые летние месяцы он может вытаивать и переувлажнять тонкие дисперсные поро­ды, которые начинают медленно оползать по склону, увлекая с собой обломки. Курумы перемещаются вниз по склону со скоростью всего лишь несколько сантиметров в год. В принципе курумы тесно связаны с процессами солифлюкции (рис. 13.19).

Рис. 13.19. Курумы. Алданский щит, Восточная Сибирь

13.9. ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Криолитозона занимает более половины территории России и как раз в местах, богатых полезными ископаемыми — нефтью, газом, углем, различными рудами. Освоение этих территорий имеет громадное зна­чение для нашей страны.

Области распространения многолетнемерзлых пород очень чутко реагируют на любые природные или техногенные вмешательства. Вы­сокая льдистость многолетнемерзлых пород и термическое равнове­сие, готовое сместиться от малейших изменений, определяют неус­тойчивое поведение многолетнемерзлых пород. Любое повышение температуры сразу же повышает глубину сезонного протаивания, лед превращается в воду, которая уходит, грунт уплотняется и проседает. Это явление, называемое термокарстом, сопровождает строительство, сделанное без учета правил, предусмотренных для криолитозоны. А они заключаются в первую очередь в сохранении мерзлого состоя­ния грунтов. Отсюда следует, что под каждым строением должно быть проветриваемое подполье, а сваи, на которых оно стоит, необходимо забивать в мерзлые породы ниже слоя сезонного оттаивания (рис. 13.20). Сохраняя многолетнемерзлые породы, не нарушая их теплово­го равновесия, можно не допустить тепловой осадки грунтов, а затем и строения, которое спустя какое-то время может просто разрушить­ся. Грунт, чтобы он не начал таять, иногда даже специально замора­живают с помощью охлаждающей системы. Свайные фундаменты — сейчас основной способ строительства в криолитозоне, хотя строят и на подсыпных грунтах. В криолитозоне расположены такие города, как Якутск, Норильск, Анадырь и др. В свое время впервые свайное основание было опробовано при строительстве Якутской централь­ной тепловой электростанции, объекта, который выделяет большое количество тепла. У нее проветриваемое подполье достигает почти 2 м. Это сооружение построено в 1937 г. и с тех пор работает не деформируясь.

Особую сложность составляет прокладывание в криолитозоне ин­женерных коммуникаций — теплопроводов, канализации, обычного водопровода. Надо иметь в виду, что и многолетнемерзлые породы, на которых ведется строительство, обладают разными свойствами, кото­рые необходимо учитывать. Наука о мерзлых грунтах чрезвычайно слож­на, интересна и необходима. Даже стандартный телефонный столб вы­сотой 6 м нельзя вкопать в оттаявший слой без того, чтобы его через некоторое время не выпучило из этого слоя, так же как выпучивает из него камни. А поднимается он потому, что, будучи вкопанным в деятельный слой, когда слой начинает замерзать на поверхности, при

□

□

шш*

V

Рис. 13.20. Строительство в криолитозоне. Дома стоят на бетонных сваях, забитых в многолетнемерзлые породы ниже деятельного слоя: 1 — отверстия для циркуляции воздуха; 2 — деятельный слой; 3 — многолетнемерзлые породы

увеличении объема водонасыщенного слоя будет немйого поднят вверх примерзшим к нему грунтом. Естественно, под столбом образуется по­лость, тут же заполняемая разжиженным грунтом, который впослед­ствии также замерзнет, увеличив свой объем. И так повторяется из года в год по несколько сантиметров, и наконец столб рухнет, будучи полностью выпученным из грунта (рис. 13.21).

Вообще, пучение грунта в области развития многолетнемерзлых пород — это бедствие, наносящее огромный урон всему хозяйству Се­вера. Деформированные насыпи железных и автомобильных дорог, газо- и нефтепроводы, аэродромы, кабельные линии связи, водо- и тепло­проводы и многие другие сооружения испытывают на себе неравно­мерное пучение грунта.

V

Огромные проблемы возникают с проходкой горных выработок и шахт в угленосных районах, например в Воркуте, где все подземные сооружения — это источники тепла, а температура многолетнемерзлых пород около О °С.

Рис. 13.21. Схема, показывающая последовательные стадии (I—VI) выпучивания столба из слоя летнего оттаивания грунтов, сложенного влажными рыхлыми горны­ми породами: 1 — оттаявшая часть сезонно-талого слоя; 2 — толща вечной мерзлоты; 3 — промерзшая часть слоя летнего оттаивания; 4 — полость под подтаявшим стол­бом, заполненная разжиженным грунтом; 5 — полость, заполненная замерзшим льдистым грунтом; 6 — полость, заполненная уплотнившимся грунтом

Изменение климата и природной среды под влиянием техногенной деятельности человека и вследствие естественных причин может дос­тавить будущим поколениям немало хлопот в районах распростране­ния многолетнемерзлых пород.