Формирование глубин сезонного промерзания и протаивания

Колебание температуры поверхности горных пород от отрицательных до положительных значений и, наоборот, в годовом цикле приводит к сезонному оттаиванию мерзлых толщ в районах развития многолетней криолитозоны и промерзанию талых пород за ее пределами. Таким образом, сезонное оттаивание представляет собой оттаивание сверху мерзлых пород, имеющих среднегодовую температуру ниже 0°С. Сезонноталый слой (СТС) всегда подстилается мерзлыми породами, его мощность определяется теплооборотами, идущими при положительных температурах пород. Сезонное промерзание – это процесс промерзания сверху талых пород, имеющих среднегодовую температуру выше 0°С. Сезонномерзлый слой (СМС) подстилается талыми породами, а мощность его определяется теплооборотами, идущими при отрицательных температурах.

Сезонное оттаивание почв и горных пород может наблюдаться только в области распространения многолетней криолитозоны при условии, что СТС при промерзании зимой сливается с многолетнемерзлой толщей. Сезонное промерзание пород распространено за пределами криолитозоны и внутри ее, где мерзлые породы имеют прерывистое распространение или залегают на значительной глубине.

В области сезонного промерзания теплообороты при положительных температурах (в теплый полупериод года) больше теплооборотов при отрицательных температурах (в холодный полупериод). В этом случае существуют теплофизические предпосылки для полного проявления сезонного промерзания пород, т.е. промерзнет столько, сколько может промерзнуть при теплооборотах, идущих при отрицательных температурах. Оттаивает же только то, что промерзло, а могло бы протаять и больше, тепла хватает. Возможное оттаивание горных пород в области сезонной «мерзлоты», которое наблюдалось бы при полном использовании теплооборотов, идущих при положительных температурах, называется потенциальным сезоннымоттаиванием. Поскольку оттаивание ограничено мощностью СМС, то одна часть теплооборотов теплого полупериода расходуется на оттаивание СМС, а другая – на нагревание пород всего слоя годовых колебаний температуры.

В области распространения многолетнемерзлых пород, наоборот, теплообороты при положительных температурах меньше теплооборотов при отрицательных температурах. В этом случае существуют теплофизические предпосылки для полного проявления процесса сезонного оттаивания, т.е. оттаять может такой верхний слой мерзлой толщи, который обеспечивается полным использованием теплооборотов теплого периода. Промерзает же только оттаявший летом слой породы, а она могла бы промерзнуть и на большую глубину. Следовательно, часть теплооборотов холодного периода идет на охлаждение многолетнемерзлых пород слоя годовых колебаний температуры. Поэтому максимально возможное сезонное промерзание горных пород в области многолетней мерзлоты, которое наблюдалось бы при полном использовании теплооборотов, идущих при отрицательных температурах, называется потенциальным сезоннымпромерзанием пород.

Знание глубин потенциального сезонного оттаивания и промерзания имеет практическое значение. Допустим, в области распространения многолетнемерзлых толщ в летний период возводится насыпь. Необходимо знать, сможет ли она промерзнуть за зиму, или останется внутри ее талое ядро, т. е. нужно определить глубину потенциального сезонного промерзания. Талое ядро со временем промерзнет, но в течение ряда лет могут возникать нежелательные деформации в насыпи во время ее эксплуатации.

Наоборот, при строительстве насыпи в зимнее время в области сезонной мерзлоты ее высота не должна превышать глубину потенциального сезонного оттаивания, иначе останется мерзлое ядро, которое сохранится на некоторое время и в результате постепенного оттаивания с просадкой может привести к деформации сооружения.

По мере движения с юга на север область сезонного промерзания при переходе среднегодовой температуры пород через 0° сменяется областью сезонного оттаивания.

В этом же направлении возрастает глубина сезонного промерзания пород, которая вблизи южной границы распространения многолетнемерзлых пород является наибольшей. При переходе через 0°С линия глубины сезонного оттаивания становится уже линией глубины потенциального сезонного промерзания в области многолетнемерзлых пород (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема широтной зональности глубин

сезонного промерзания (оттаивания),

потенциального сезонного промерза-

ния (оттаивания) и глубины распро-

странения годовых колебаний темпе-

ратуры (Основы геокриологии, 2001):

I – глубина сезонного промерзания и потенциального сезонного промерзания (пунктирная часть линии); II – глубина сезонного оттаивания и потенциального сезонного оттаивания (пунктирная часть линии); 1, 2 – соответственно сезонноталый и сезонномерзлых слои; 3 – слой годовых колебаний положительной температуры в области сезонного промерзания; 4 – слой годовых колебаний отрицательной температуры в области сезонного оттаивании; 5 – слой потенциального оттаивания; 6 – слой потенциального промерзания

Подобно изложенному происходит изменение глубины сезонного оттаивания горных пород при движении с севера на юг.

При среднегодовых температурах горных пород равных 0°С глубины сезонного оттаивания и промерзания наибольшие, равны друг другу и равны потенциальным величинам. Одновременно с этим наблюдается минимальная мощность слоя годовых колебаний температуры, которая равна мощности СМС и СТС.

В отдельные годы, характеризующиеся аномально суровыми климатическими условиями, на участках талых пород с температурами близкими 0°С, появляется сезонномерзлый слой повышенной мощности, который не успевает протаять в последующий теплый сезон. Такие прослои носят название перелетки и могут существовать в течение ряда лет, а потом протаять. Мощность перелетков не превышает, как правило, 0.5-1.0 м.

В области криолитозоны, в аномально теплые многоснежные зимы, оттаявший за теплый период слой не успевает промерзнуть и также может существовать в течение ряда лет. Такой не промерзший прослой талого грунта нередко называют перезимком.

Процессы сезонного оттаивания и промерзания имеют свои особенности. Сезонное оттаивание достигает максимальной глубины в конце теплого сезона. С переходом процесса сезонного нагревания поверхности пород к охлаждению меняется направление тепловых потоков, проходящих через эту поверхность. Породы сезонноталого слоя начинают охлаждаться, и процесс протаивания сначала замедляется, а затем останавливается. В дальнейшем начинается промерзание оттаявшего слоя, которое в зависимости от конкретных условий может начинаться как от верхней его границы, так и снизу. Чем ниже среднегодовая температура пород, тем большая часть слоя сезонного оттаивания промерзает снизу. Эта величина может достигать 20-30% всего слоя оттаивания (Ершов Э.Д.).

Таким образом, промерзание сезонноталого слоя характеризуется, как правило, возникновением двух фронтов или границ раздела «мерзлый – талый грунт» в результате развития промерзания как сверху, так и снизу. Наличие двух фронтов промерзания способствует формированию трех слоев с различным криогенным строением: максимальная льдистость пород отмечается в верхней и нижней частях разреза, а средняя часть оказывается обезвоженной. Для верхней части слоя в тонкодисперсных породах характерны тонкие слоистые и сетчатые криотекстуры, для средней – массивные и разреженные тонкие линзовидные. Для нижней части слоя характерны утолщенные слоистые, сетчатые и атакситовые криотекстуры. Льдистость этого слоя равна или превышает полную влагоемкость пород.

В случае сезонного промерзания пород многие стороны процесса формирования и развития сезонномерзлого слоя характеризуются качественными различиями. Промерзание талых пород в зимний период происходит только сверху, т.е. существует только одна граница раздела «мерзлый – талый грунт». Вследствие развивающихся процессов миграции и фазового перехода влаги в сезонномерзлом слое образуются миграционно-сегрегационные прослои льда, происходит вертикальное пучение поверхности пород.

В дальнейшем, после перехода температуры поверхности через 0°С начинается оттаивание сезонномерзлого слоя пород сверху и снизу. Чем выше среднегодовая температура пород, тем интенсивнее процесс оттаивания идет снизу. Таким образом, при протаивании сезонномерзлого слоя формируется два фронта оттаивания, т.е. две границы раздела «талый – мерзлый грунт».

В случае сезонного промерзания в самой верхней части разреза, промерзание которой происходит, как правило, при больших градиентах температур, образуется массивная криогенная текстура пород. В нижних частях разреза, где скорость промерзания уменьшается, формируются более благоприятные условия для миграционного льдовыделения и здесь могут образовываться шлировые криогенные текстуры, ледяные прослои которых утолщаясь, разреживаются с глубиной. Общая по разрезу величина льдистости и толщина формирующихся прослоев льда зависит от глубины залегания уровня грунтовых вод.