Глава 9. Геологические процессы в областях распространения многолетнемерзлых горных пород

Хорошо известно, что поверхностные слои почв и грунтов подвергаются сезонному промерзанию зимой и оттаиванию в весенне-летнее время. Закономерности промерзания и оттаивания и температурный режим этих слоев определяются условиями теплообмена на поверхности Земли и составом пород и их влажностью. Наибольшая глубина промерзания наблюдается в северных приполярных районах, наименьшая - в южных. Этот верхний слой периодического промерзания и оттаивания отличается большой динамичностью и называется деятельным слоем. Ниже его на обширных пространствах СССР, Северной Америки и Канады развиты многолетнемерзлые горные породы (ММП). В СССР они занимают свыше 47-48% площади.

Современное соотношение деятельного слоя с ММП различно. В северных районах наблюдаются сливающиеся мерзлые толщи, в более южных районах - несливающиеся. Зону распространения ММП называют мерзлой зоной литосферы или криолитозоной (греч. "криос" -холод). Соответственно и наука, изучающая криолитозону и процессы, связанные с ней, называется геокриологией или мерзлотоведением. Основы этой науки были заложены М. И. Сумгиным, но особенно широкое развитие она получила в последние три десятилетия, и на ее основе решались и решаются важнейшие народнохозяйственные задачи: развитие горнодобывающей промышленности; строительство железных и шоссейных дорог, промышленных и жилых сооружений. Все это поставило перед наукой задачу всестороннего изучения ММП, геологических процессов, связанных с ними, и оценки их влияния на различные возводимые сооружения, объекты эксплуатации полезных ископаемых и др. Эти исследования проводились многими учеными, среди которых В.А. Кудрявцев, Б.Н. Достовалов, П.Ф. Швецов, А.И. Попов, П.И. Мельников, Э.Д. Ершов, Н.Н. Романовский, К.А. Кондратьева и другие, внесшие значительный вклад в развитие геокриологии.

ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ И РАЙОНИРОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

В процессе обобщения данных о строении ММП в отдельные этапы исследований различными авторами составлялись специальные мелкомасштабные карты районирования. В настоящем учебнике приводится одна из последних обобщающих карт криолитозоны (рис. 9.1), составленная в 1986 г. коллективом кафедры геокриологии геологического факультета МГУ (под ред. Э. Д. Ершова). На этой карте выделяются две криолитозоны: 1) субаэральная (субконтинентальная), развитая на континенте, и 2) субмаринная, охватывающая шельфовые области, примыкающие к суше северных морей и Северного Ледовитого океана. Является наиболее распространенным субаэральный тип криолитозоны и охватывает север европейской части СССР, Западную и Среднюю Сибирь, Северо-Восток и Дальний Восток, Прибайкалье и Забайкалье, а также высокогорные районы. На приведенной карте за южную границу распространения ММП принята граница, где горные породы имеют нулевую температуру на подошве слоя годовых колебаний. Наибольшей неоднородностью и динамичностью отличается южная зона, в которой отсутствует сплошная мерзлота, представленная здесь в виде островов различных размеров, разделенных талыми породами.

Здесь самая южная часть представляет зону редкоостровного распространения ММП, занимающих от 5 до 30% площади выделенного участка. К северу за ней следует зона островного расположения, где острова ММП занимают уже от 40 до 60% выделенной площади. Далее она переходит в зону массивноостровного и прерывистого распространения ММП, занимающих до 70-80% площади с островами талых вод.

Таким образом, при движении с юга на север крупность массивов ММП увеличивается, одновременно возрастает и их мощность от 5-15 м в редкоостровной зоне до 100 м и более в массивно-островной и прерывистой. В этом же направлении происходят понижение среднегодовых колебаний температур и уменьшение межостровных таликов.

Севернее описанной островной зоны располагается зона сплошного распространения ММП, занимающая наибольшие площади и характеризующаяся увеличенной мощностью от 100-200 до 700-900 м, а местами до 1000-1500 м. По мере продвижения к северу постепенно снижается и температура среднегодовых колебаний, достигая -10, -15^oС на побережье моря Лаптевых и арктических островах. В зоне сплошной мерзлоты сквозные и несквозные талики наблюдаются только под крупными реками и водоемами. Как видно на схеме, на юге Западно-Сибирской низменности и на крайнем северо-востоке европейской части Союза выделяется реликтовая криолитозона на глубинах 100-200 м и мощностью 100-200 м и более.

В горных районах распространение ММП подчиняется вертикальной зональности и характеризуется увеличением мощности с высотой гор (от 100 до 1000 м и более). В субмаринной криолитозоне наибольшее распространение имеет островная и прерывистая мерзлота мощностью 0-100 м, в меньшей степени - сплошная мощностью 100-400 м.

ПОДЗЕМНЫЕ ЛЬДЫ КРИОЛИТОЗОНЫ

Подземными льдами называют все виды льда в мерзлых породах вне зависимости от их образования, размеров и условий залегания. С их формированием связаны многие геокриогенные процессы. По данным В.А. Кудрявцева, Н.Н. Романовского и других исследователей, льды, формирующиеся в горных породах, могут быть подразделены на четыре основные группы. 1. Погребенный лед, образующийся при захоронении снежников и подземных льдов. 2. Повторно-жильный лед, образующийся при неоднократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин, захватывающих как деятельный слой, так и ММП. Глубина таких жил различна - от 0,5-1 до 30-40 м, а ширина в верхней части до 8-10 м и более. 3. Инъекционный лед, возникающий в результате замерзания подземной воды, внедряющейся под напором в толщу мерзлых дисперсных пород. 4. Конституционный лед, образующийся главным образом при промерзании влажных дисперсных пород. Он подразделяется на: лед-цемент - мелкие кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки во влажных породах при их замерзании, и сегрегационный (лат. "сегрегаре"-отделять), или миграционный лед, образующийся при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. В результате образуются ледяные шлиры (нитевидные включения), небольшие гнезда, линзовидные прослойки.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КРИОЛИТОЗОНЫ

Подземные воды в своем распространении тесно связаны с пространственным положением ММП, являющихся водоупором. Одна из первых классификаций подземных вод криолитозоны была предложена Н.И. Толстихиным. Последующие исследования внесли в указанную классификацию уточнения и дополнения. Схема различных категорий подземных вод по отношению к мерзлым породам, предложенная Н.Н. Романовским, изображена на рис. 9.2. В ней выделяются: 1) надмерзлотные воды сезонно-талого слоя, 2) надмерзлотные воды несквозных таликов, 3) воды сквозных таликов, 4) подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды сезонно-талого слоя образуются при оттаивании верхней части пород в летне-осеннее время. Основное питание их происходит за счет атмосферных осадков. Их движение происходит в соответствии с уклоном поверхности Земли с наиболее приподнятых и расчлененных участков к пониженным. На плоских поверхностях движение или очень замедлено, или совсем отсутствует. По составу это преимущественно пресные гидрокарбонатные воды.

К надмерзлотным водам несквозных таликов относятся подозерные, подрусловые и прирусловые пойменные несквозные талики, существующие благодаря отепляющему воздействию водоемов и водотоков. Особое значение имеют подрусловые талые воды, приуроченные к руслам рек и ручьев. Чем больше речной поток, тем шире и мощнее подрусловой талик. Питание этих вод происходит главным образом за счет инфильтрации атмосферных осадков и частично речных вод, вследствие чего они слабо минерализованы. Подрусловые талые воды движутся вдоль долины реки и имеют сток в течение года. Кроме того, в них местами происходит питание и разгрузка глубинных вод. Таким образом, с подрусловыми таликами связаны основные запасы грунтовых вод, что имеет важное значение для целей водоснабжения, особенно в северной части геокриологической зоны. Прирусловые пойменные талики приурочены к прирусловым отмелям, косам, нижним частям пойм, испытывающим временное отепляющее воздействие во время половодий. Поверхностный сток в них является периодическим.