Многолетняя (вечная) мерзлота и ее гидрологическое значение

 

Подземными льдами называют все виды льда в мерзлых породах внезависимости от их образования, размеров и условий залегания.

В областях холодного и умеренно холодного резко континентального климата поверхностные слои почвы и грунта подвергаются промерзанию зимой и оттаиванию в летние месяцы. Возникают сезонно-мерзлые грунты. Выявлены определенные закономерности промерзания и оттаивания, установлены температурные условия этих процессов, охарактеризованы поведение грунтов и почвы в периоды оттаивания и промерзания, влияние на эти процессы состава грунтов и их влажности. Верхний слой, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию, характеризуется значительной динамичностью и называется деятелъным слоем. Под этим слоем на значительных территориях Сибири, Аляски и Канады располагаются многолетнемерзлые горные породы. В России они занимают территорию около 60 % площади. Зону распространения многолетнемерзлых пород называют мерзлой зоной литосферы, или криолитозоной. Поэтому и наука, изучающая криолитозону и процессы, протекающие в ней, называется геокриологией, или мерзлотоведением. Основы этой науки были заложены на рубеже XIX и XX столетий М.И. Сумгиным, но особенно широкое развитие эта наука и ее практические выводы и результаты получили в конце XX в. На основе практических рекомендаций геокриологии решают важнейшие хозяйственные задачи — в областях развития многолетнемерзлых пород и грунтов развивается горнодобывающая промышленность, осуществляется строительство транспортных магистралей, ведется жилое и промышленное строительство и регулярное водоснабжение.

Огромная и важная в экономическом отношении работа по строению и распространению многолетнемерзлых грунтов на территории России была проведена коллективом кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Наиболышим распространением и важнейшим в экологическом отношении является субаэральный тип криолитозоны. Он охватывает север Европейской части России, Западную и Среднюю Сибирь, Северо-Восток России и Дальний Восток. Южная граница криолитозоны проводится там, где горные породы обладают нулевой среднегодовой температурной отметкой. Наибольшей динамичностью и подвижностью обладает южная зона, в пределах которой отсутствует сплошная мерзлота. По мере движения с юга на север массивность и толщина многолетнемерзлых горных пород постепенно увеличиваются. Наибольшие площади занимает зона сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород.

Средняя ее мощность составляет 700 — 900 м, а местами увеличивается до 1200—1500 м. По мере приближения к Северному Ледовитому океану постепенно снижается температура среднегодовых колебаний составляя минус 10 —15 °С.

Мнолетнемерзлые горные породы распространены и в горных районах Южной Сибири и Забайкалья. Их развитие и мощность подчиняются всртикальной климатической зональности.

1) повторно-жильный лед, образующийся при неоднократном заполнении водой или снегом трещин, проникающих на значительные глубины;

2) инъекционный лед, возникающий в результате замерзания подземной воды, внедряющейся под напором в толщу мерзлых пород;

3) конституционный лед, который образуется при промерзании влажных дисперсных горных пород.

Распространение подземных вод тесно связано с пространственным положением многолетнемерзлых горных пород, которые являются водоупором. Схема положения подземных вод в мерзлотной зоне очень сложна.

В соответствии с характером вертикального строения воды этой зоны могут быть разделены на четыре категории:

1) воды поверхностные (реки,озера);

2) надмерзлотные воды, залегающие над толщей вечной мерз­лоты, на ее верхней поверхности;

3) межмерзлотные воды, находящиеся в пределах вечной мерз­лоты. Наиболее часто они находятся в твердом состоянии;

4) подмерзлотные воды, залегающие ниже толщи вечной мерз­лоты. Для верхней части этих вод вечная мерзлота является кровлей.

Надмерзлотные воды сезонно-талого слоя образуются при оттаивании верхней части пород в летне-осеннее время. Они питаются в основном за счет атмосферных осадков. Их перемещение связано с уклоном мерзлотного слоя. По составу эти воды пресные гидрокарбонатные.

К надмерзлотным водам несквозных таликов относятся подозерные, подрусловые и прирусловые пойменные несквозные талики, которые существуют из-за отепляющего воздействия водоемов и водотоков. Размеры таликов зависят от величины руслового потока.

Питаются данные воды в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и частично речных вод. Поэтому все они слабо минерализованы. Подрусловые подземные воды перемещаются вдоль долины реки и обладают стоком в течение года. С ними связаны основные запасы грунтовых вод на территориях, охваченных мерзлотными процессами, и вследствие этого они имеют огромное значение для водоснабжения.

Прирусловые пойменные талики приурочены к прирусловым отмелям, косам, нижним частям пойм и участкам, испытывающим времснное отепляющее воздействие воды во время половодий. Воды подозерных несквозных таликов характеризуются застойным режимом м и некоторые из них обогащены сероводородом.

Воды сквозных таликов. Среди них выделяются: инфильтрационные талики, обладающие нисходящим движением и образующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков или втекания поверхностных вод по трещинам и карстовым полостям; напорно-фильтрационные талики, обладающие напором и восходящим направлением движения.

Подмерзлотные воды располагаются ниже подошвы многолетнемерзлых пород. Приурочены к различным по составу и проницаемости породам и всегда обладают напором. Вскрываемые буровыми скважинами, они всегда фонтанируют наподобие артезианских вод. Глубина залегания таких вод различна и обусловлена мощностью многолетнемерзлых пород. Имеются воды, как с положительными, так и с отрицательными температурами. По степени минерализации они могут быть как пресными, так и солоноватыми. Воды с отрицательной температурой обладают высокой соленостью.

Межмерзлотные и внутримерзлотные воды, обладающие как слоистым, так и линзовидным залеганием, ограничены сверху и снизу водоупорами в виде мерзлых пород. Вследствии этого они не связаны с другими типами подземных вод.

Понятие о многолетней мерзлоте, ее распространение. Помимо сезонного промерзания, зависящего от географи­ческого положения и местных особенностей района, имеется об­ширная зона, в пределах которой на некоторой глубине грунт по­стоянно сохраняется в мерзлом состоянии. Мощность сезонной мерзлоты в пределах России изменяется от нескольких сантиметров до 1-2 м. В средних широтах глубина сезонного промерзания со­ставляет 0,6-0,8 м.

Толщина слоя постоянной, или вечной, мерзлоты находится в пределах от 1-2 до нескольких сотен метров. Например, в от­дельных местах западного Шпицбергена мощность слоя вечной мерзлоты достигает более 240 м, а в районе Амдермы — не менее 400м.

Над толщей постоянного мерзлого грунта находится слой, ко­торый ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Этот слой на­зывается деятельным, или активным.

Толща вечной мерзлоты и слой сезонного промерзания могут непосредственно переходить один в другой или же между ними бы­вает талая прослойка.

Если слой постоянной мерзлоты находится на такой глубине, что сезонное промерзание ежегодно достигает его верхней поверх­ности, то в этом случае вечная мерзлота называется сливающейся; когда указанного соединения сезонного промерзания и вечной мерзлоты не наблюдается, мерзлота называется несливающейся.

Область сплошного распространения вечной мерзлоты по мере продвижения к более южным и менее континентальным зонам сме­няется областью вечной мерзлоты с включениями участков талого грунта. Эти участки, называемые таликами, обычно располагаются под озерами и реками, а также в местах, благоприятных для об­разования мощных скоплений снега.

В зависимости от соотношения площадей вечной мерзлоты и площадей таликов различают:

1) районы сплошного распространения вечной мерзлоты, т. е. районы, в пределах которых вечная мерзлота, как правило, наблю­дается повсеместно, независимо от различий в местных особенно­стях отдельных участков;

2) районы почти сплошного распространения вечной мерзлоты, нарушаемой более или менее значительными вкраплениями та­ликов;

3) распространение вечной мерзлоты в форме отдельных остро­вов среди обширных таликовых пространств;

4) распространение вечной мерзлоты только в буграх торфя­ников.

Режим поверхностных вод в районе распространения вечной мерзлоты обладает рядом существенных особенностей.

Реки, протекающие в этих районах, отличаются весьма малым стоком в зимний период. Если реки, протекающие в районах, не охваченных вечной мерзлотой, за период декабрь-февраль проно­сят 6-10 % годового объема стока, то в районах вечной мерзлоты на таких же реках протекает 1-2 % и менее годового стока. Многие даже крупные реки промерзают до дна, и течение их совершенно прекращается. Резкое уменьшение стока зимой сопровождается образованием ледяного покрова значительной толщины, достигающей 1,0-1,5 м, а в ряде случаев 2 м и более.

Широкое распространение в районах вечной мерзлоты имеют речные наледи, которые представ­ляют собой наросты льда, занимающие иногда ты­сячи квадратных метров. Возникают речные на­леди вследствие выхода на дневную поверхность воды, которая не помещается в быстро уменьшающемся под влиянием морозов русле реки.

В районах распространения вечной мерзлоты дождевые и снеговые воды в небольшой степени по­глощаются почво-грунтами и, скатываясь в реки, вызывают в них резкие подъемы воды. Большое влияние вечная мерзлота оказывает на формирова­ние русел рек, определяя их большую устойчивость по сравнению с речными руслами немерзлотных районов.

Озера. Характерной особенностью районов веч­ной мерзлоты является наличие озер, возникающих на месте понижений, образующихся в результате просадок грунта в местах таяния заключенных в грунт крупных скоплений льда. Площадь таких провальных, или термокарстовых, озер может до­стигать нескольких квадратных километров. Пита­ние озер оттаивания осуществляется за счет по­верхностных вод.

Термокарст, или термический карст, — явление, свойственное исключительно вечной мерзлоте. При­чинами, ведущими к нарушению термических ус­ловий грунта, развитию процесса таяния заключен­ных в толще мерзлого грунта скоплений льда и образованию просадок грунта, могут явиться пожар леса, его вырубка, уничтожение, в частно­сти выгорание мохового покрова, распашка земель и пр.

Мелкие озера, глубиной до 1-2 м, промерзают до дна, в результате чего под дном таких озер мерзлый грунт залегает неглубоко. Более глубокие озера под своим дном имеют более мощные та­лики и в некоторых случаях могут иметь питание за счет подземных вод.

Надмерзлотные подземные воды залегают на толще вечной мерзлоты как на водо­упорном основании. Они наиболее часто встреча­ются в толще переработанных деятельностью воды отложений на дне речных долин и озерных кот­ловин, а также у подножий склонов; реже эти воды скапливаются на склонах и на водоразделах.Среди надмерзлотных вод выделяют:

а) сезонно промерзающие, или верховодку, находящуюся только в пределах деятельного слоя;

б) сезонно частично промерзающие; эти воды заполняют толщу почво-грунтов, простирающуюся ниже слоя сезонного промерзания;

в) сезонно не промерзающие, залегающие ниже толщи, подвер­женной сезонному промерзанию.

Основным источником питания надмерзлотных вод являются ат­мосферные осадки. Поэтому увеличение их запасов тесно связано, во-первых, с ходом оттаивания почвы и, во-вторых, с выпадением дождей в течение летнего периода.

Частично промерзающие надмерзлотные воды, будучи изолиро­ваны снизу вечной мерзлотой, а сверху горизонтом сезонного про­мерзания, расширяясь при замерзании, могут образовать подзем­ный наледный бугор нередко значительных размеров. В отдель­ных случаях происходит разрыв деятельного слоя и часть надмерз­лотных вод выходит на поверхность, где и застывает в виде наледи.

Межмерзлотные воды представлены главным образом в виде различного рода скоплений, так называемого ископаемого льда; встречаются и временно законсервированные многолетней мерзлотой водоносные горизонты. Скопления ископаемого льда встречаются в форме пластов, линз, жил, глыб и др.

При оттаивании ископаемые льды дают начало источникам, пи­тают озера и пересекающие их реки.

Межмерзлотные воды в жидкой фазе не подвержены сезон­ному промерзанию и оттаиванию. Промерзание и оттаивание их может происходить лишь в разрезе многолетнего отрезка времени, если наблюдается смена групп теплых и холодных лет. Важное зна­чение в сохранении межмерзлотных вод в жидком состоянии имеет часто наблюдающийся водообмен их с над- и подмерзлотными во­дами. При наличии такого водообмена через межмерзлотные воды происходит связь над- и подмерзлотных вод и поступления через них атмосферных осадков к подмерзлотным водам. В большинстве случаев межмерзлотные воды существуют за счет восходящих под-мерзлотных вод; в этом случае межмерзлотные воды обладают на­пором. Межмерзлотные воды, получающие питание за счет поверх­ностных вод, обычно связаны с подрусловыми потоками, с водами рек и озер.

Подмерзлотные воды, залегающие ниже толщи вечной мерзлоты, характеризуются отсутствием твердой фазы воды-льда; эти воды обычно обладают напором. Воды, залегающие вблизи нижней поверхности слоя вечной мерзлоты, имеют температуру, близкую к 0°С; при удалении от мерзлой толщи в глубину темпе­ратура их возрастает. Характер залегания и условия циркуляции подмерзлотных вод существенно не отличаются от залегания глу­боких подземных вод и в немерзлотных районах. Скопления под­мерзлотных вод могут наблюдаться в виде водоносных потоков или жил, заполняющих различные полости и трещины в земной коре.

В пределах зоны вечной мерзлоты широкое распространение имеют наледи.

Наледи представляют собой ледяные образования, возникаю­щие в результате замерзания речных или подземных вод, излив­шихся на дневную поверхность или скопившихся в пределах деятельного слоя. Вся совокупность процессов, приводящих к обра­зованию наледи, — замерзание грунта, вытесняющее воду на днев­ную поверхность, передвижение воды к дневной поверхности в ре­зультате промерзания водоносных трактов, по которым она дви­жется, образование ледяных бугров и ледяных полей, выливание воды на дневную поверхность и замерзание ее называется наледным процессом.

В соответствии с их происхождением различают наледи речные, подземных вод и смешанные. По длительности существования на­леди бывают однолетними (сезонными) и многолетними.

Площади, занимаемые наледями, колеблются в широких преде­лах. Наиболее часто встречаются наледи толщиной от 1 до 4 м. При образовании подземной наледи, возникающей в пределах дея­тельного слоя, на поверхности земли образуются бугры, исчезаю­щие в теплый период года при таянии наледи.

 

ЛЕДНИКИ