Современное строение криолитозоны

Огромная северная территория Западной Сибири предопределяет разнообразие геокриологических условий. Зона сплошного распространения многолетнемерзлых толщ с поверхности охватывает п-ова Ямал, Гыдан и Тазовский; южная ее граница проходит по 66° с.ш. на западе и 68° с.ш. в бассейне Енисея (Основы геокриологии, 1998). Мерзлые породы развиты на всех элементах рельефа, включая шельф Карского моря. Сплошность «мерзлоты» прерывается только под руслами крупных рек (Обь, Енисей, низовья реки Таз). Сквозные талики развиты под руслами рек Оби, Таза и Енисея, а также под дном крупных глубоководных озер.

Температурный режим пород обусловлен комплексом природных факторов: климатом, составом и влажностью поверхностных отложений, рельефом, геоботаническими условиями. Одним из основных факторов, определяющих температурный режим горных пород (за пределами водоемов), является снежный покров. За счет неравномерного распределения снежного покрова температура пород может отличаться на 5-6°С (Баулин, 1985). Наиболее низкие значения температуры -7¸ -9°С отмечаются на плоских поверхностях. В понижениях, полосах стока и долинах мелких речек и ручьев она изменяется от -6 до -7°С (Западная Сибирь, 1989). Самые высокие значения температуры пород (от -2, 5 до -3°С) отмечены на западном побережье Ямала (мыс Харасавэй). Наблюдаются они в узких долинах небольших рек и в глубоких оврагах, где накапливается значительной мощности снежный покров и развита кустарниковая растительность.

В южных районах зоны сплошного распространения многолетнемерзлых толщ нередко встречаются участки с положительными температурами горных пород (талики). Неглубокие талики характерны для пологих песчаных склонов, где накопление снежного покрова повышенной мощности способствуют заросли кустарников. Мощность надмерзлотных таликов редко превышает 6 м.

В пределах открытых тундровых участков, имеющих на рассматриваемой территории преимущественное распространение, температура мерзлых пород изменяется от -11°С на севере зоны, до -2°С – на юге (Баулин, 1985).

Под мелкими водоемами и водотоками существуют несквозные талики.

Зона прерывистого распространения мерзлых толщ простирается до 61° с.ш. На севере этой зоны многолетнемерзлые породы занимают свыше 50% площади, а на юге встречаются в виде островов. На севере зоны важнейшим фактором, определяющим существование мерзлых пород, является снежный покров. Установлено, что на безлесных участках, где высота снежного покрова не превышает 0.5 м, горные породы находятся в многолетнемерзлом состоянии. На широте полярного круга выделяется полоса шириной около 100-150 км, в пределах которой кровля ММТ часто залегает на глубине 10-20 м. Талики развиты на участках, где мощность снежного покрова превышает 0, 5 м.

В южных районах зоны наряду со снежным покровом важную роль в формировании мерзлых пород играют напочвенные покровы и состав поверхностных отложений. Острова мерзлых пород небольшие по площади приурочены к бугристым торфяникам и густым замшелым лесным массивам. В районах, где с поверхности залегают пески, мерзлые толщи практически не встречаются. В южных районах зоны прерывистого распространения мерзлых толщ острова мерзлых пород приурочены к бугристым торфяникам и густым замшелым лесным массивам. В пределах всей зоны на глубинах от нескольких десятков до нескольких сотен метров почти повсеместно залегают реликтовые позднеплейстоценовые мерзлые толщи (рис.8.3).

Рис.8.3. Строение криолитозоны Западной Сибири по меридиональному профилю (по Г.И.Дубикову).

В области глубокого сезонного промерзания выделяется зона потенциального развития мерзлых толщ. Северная ее граница проводится по южной границе распространения островов мерзлых пород, устойчивых к короткопериодным колебаниям климата; южная граница зоны проводится по 56° с.ш. Для зоны характерно глубокое сезонное промерзание грунтов и появление перелетков в суровые малоснежные зимы. Наиболее вероятно их появление при нарушении поверхностных условий при хозяйственном освоении территории. В северной половине зоны, на глубинах 150-200 м могут быть встречены реликтовые мерзлые толщи.

Мощность и вертикальное строение криолитозоны Западной Сибири отличаются своими особенностями, которых практически нет в других регионах: во-первых, двухслойное строение мерзлых толщ к югу от полярного круга; во-вторых, широкое распространение на севере засоленных мерзлых и талых пород с отрицательной температурой.

Максимальная мощность криолитозоны, включая пояс охлажденных пород, на севере территории, в зоне тундры, превышает 500 м; в зоне лесотундры – достигает 350-400 м. На мощность многолетнемерзлых толщ сильно влияет геотермический градиент, который (при прочих равных условиях) пропорционален глубинному теплопотоку. Последний выше, как правило, на участках неглубокого залегания фундамента плиты и над сводами новейших неотектонических поднятий. В районах этих поднятий сокращение мощности мерзлых толщ может достигать 200 и более метров.

У Полярного круга и южнее его развиты двухслойные мерзлые толщи, существование которых обусловлено колебанием климата в четвертичное время. Верхний слой мерзлых пород, наибольшая мощность которого на севере достигает 150 м, сформировался в голоценовый период. Горизонт талых пород залегает на глубинах от 30-50 до 100-150 м и обязан своему происхождению климатическому оптимуму голоцена. Талый горизонт подстилается реликтовой мерзлой толщей, которая прослеживается до глубин 250-400 м. Мощность этой реликтовой толщи закономерно уменьшается по направлению с севера на юг.

На п-овах Ямал, Гыдан и Тазовский криолитозона сложена засоленными мерзлыми породами преимущественно морского генезиса. Максимальную засоленность (до 25%) имеют салехардские суглинки, меньшую – позднеплейстоценовые отложения. Чем выше соленость воды, тем ниже температура ее замерзания (у морской воды нормальной солености − 33 %_о температура замерзания равна минус 1.8°С). Поэтому засоленность приводит к сокращению мощности толщ мерзлых пород, содержащих лед, до 250-300 м. Под ними криолитозона представлена охлажденными породами.

Температура горных пород Западной Сибири изменяется в широких пределах. В зоне сплошного распространения криолитозоны среднегодовая температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд изменяется от -10°С на крайнем севере Ямала и Гыдана, до -3°С у Полярного круга (для наиболее суровых условий плоских поверхностей). В зоне прерывистого распространения мерзлых толщ температура пород колеблется в диапазоне от минус 3-4 до плюс 3-3.5°С. Температурный режим грунтов слоя годовых колебаний температуры, кроме зонального фактора, в значительной степени определяется поверхностными условиями.

Температуры многолетнемерзлых пород ниже слоя их годовых колебаний определяются не столько современными природными условиями, сколько историей формирования криолитозоны и особенностями ее строения. Многочисленный фактический материал температурных измерений по глубоким скважинам позволяет выделить несколько видов температурных кривых, характерных для различных районов рассматриваемой территории. Все их можно объединить в три типа (по В.В. Баулину, Геокриология СССР, 1989). Для первого из них характерно нормальное повышение температуры мерзлых пород с глубиной, для второго – температурное поле практически безградиентно; для третьего – температуры пород с отрицательным градиентом существуют в верхней части геологического разреза, затем в некотором интервале градиент температур близок нулю, а с глубиной начинает повышаться в соответствии с глубинным теплопотоком (рис.8.4).

Первый тип изменения температуры ММТ с глубиной характерен для северных районов, расположенных за Полярным кругом. В пределах тундры и лесотундры температура мерзлых пород сплошного распространения закономерно повышается с глубиной от поверхности до подошвы мерзлоты (рис.8.4а). Геотермический градиент в мерзлой толще изменяется от 1.0 до 1.5 °С/100 м. Такие кривые свойственны стационарным условиям. На участках, где продолжается процесс промерзания, величина геотермического обычно значительно выше.

Второй тип кривых характерен для районов, находящихся к югу от Полярного круга. Для лесотундры и северной тайги характерны безградиентные мерзлые толщи с невысокими отрицательными температурами, нередко близкими 0°С (см. рис.8.4б). Такие кривые характерны для участков, где по каким-либо причинам происходит повышение среднегодовых температур с поверхности, и свидетельствуют о деградационном состоянии «мерзлоты».

Этот тип температурных кривых обусловлен в основном, потеплением климата в недавно прошедшие эпохи, когда повышение температур на поверхности не вызывало глубокого протаивания мерзлых толщ. Интервалы пород, в которых наблюдаются температурные кривые этого типа, могут быть встречены на различных глубинах.

Более сложные температурные кривые – третий тип имеют участки с реликтовыми мерзлыми толщами. На участках двухслойного строения мерзлой толщи температура пород изменяется от отрицательной (не ниже -2°С на глубине нулевых годовых амплитуд) до нулевой с положительным температурным градиентом; в ниже лежащем талом слое температура положительная и близка 0°С. В реликтовом мерзлом слое температуры пород также близки нулевым значениям; мощность этого слоя уменьшается снизу за счет глубинного теплового потока.

На участках, где сохранился только реликтовый слой «мерзлоты», геотермический градиент изменяется по разрезу два раза (см. рис. 8.4, в), В талых породах до кровли реликтовой мерзлой толщи идет понижение температуры до 0°С. В мерзлой толще наблюдается почти безградиентная кривая температуры (минимальные значения не ниже -0.4°С); в талой подстилаемой зоне температура повышается с градиентом, соответствующим тепловому потоку и теплопроводности горных пород.

Рассмотрены только основные, общие закономерности формирования и строения криолитозоны Западной Сибири. При более детальном изучении геокриологических условий необходимо опираться на региональное районирование, которое предусматривает подразделение территории на зоны, области и районы со схожими классификационными признаками.