Классификация типов сезонного промерзания и сезонного оттаивания почв и горных пород

Исторически сложилось так, что изучение процессов сезонного промерзания− протаивания велось по трем направлениям: географическое. теплофизическое и техническое (Мерзлотоведение, 1981).

Географическое направление ставило своей задачей изучение сезонного промерзания и оттаивания почв и горных пород с учетом зависимости глубины СМС и СТС от комплекса факторов природной географической среды: температура воздуха и ее амплитуда, снежный и растительный покровы, экспозиция склонов, заболоченность и прочее. На специальных исследовательских площадках проводились стационарные наблюдения за глубиной промерзания и оттаивания в различных ландшафтных условиях.

Теплофизическое направление рассматривало сезонное промерзание и протаивание почв и горных пород как чисто теплофизический процесс, без учета влияния на него геологической и географической среды. Основной целью этого направления было получение математических зависимостей между глубинами промерзания и протаивания пород, температурой воздуха и теплофизическими свойствами этих пород.

Техническое направление представляло собой попытку разработки методов определения глубины промерзания и оттаивания грунтов в строительных целях. Для их достижения допускалось упрощенное математическое описание процесса промерзания и оттаивания, выражаемого простыми расчетными формулами, удобными для практического использования.

Первые два направления являлись основными, поскольку рассматривали процессы сезонного промерзания и оттаивания как сложное природное явление, требующее всестороннего детального изучения. Для этого необходимо было разработать классификацию типов сезонного промерзания и оттаивания пород. Такая классификация была разработана П.И. Колосковым (1946) и развита В.А. Кудрявцевым (1951), который и считается ее автором.

Принцип классификации следующий. Прежде всего, было четко разделено сезонное промерзание пород и сезонное оттаивание естественной границей, по линии которой среднегодовая температура пород равна 0°С. В зоне положительных среднегодовых температур выделяются типы сезоннопромерзающих почв и грунтов, а в зоне отрицательных – типы сезоннооттаивающих почв и грунтов. В основу выделения обеих групп типов положены четыре параметра: 1) среднегодовая температура пород; 2) годовая амплитуда температуры на их поверхности; 3) состав пород сезонноталого и сезонномерзлого слоев, т.е. литологические особенности; 4) влажность этих пород.

Первые два признака являются географическими и определяются величиной полугодовых теплооборотов пород, связанных с их промерзанием и оттаиванием. Другие два признака отражают региональную геологическую неоднородность литологического состава и влажности грунтов.

Географические признаки являются зональными и могут достаточно легко картографироваться. Классификация типов сезонного промерзания и сезонного протаивания грунтов по первым двум типам представлена в виде таблицы (рис.5.2). При обосновании выделения градаций температур географических типов принято положение, что среднегодовая температура поверхности горных пород не остается постоянной, а из года в год меняется в определенных пределах.

В качестве границы, разделяющей процессы сезонного промерзания и протаивания, в классификации принята среднегодовая температура пород, равная 0°С. Дальнейшее подразделение типов проведено по устойчивости процесса к переходу одного в другой.

Вследствие короткопериодных колебаний климата и случайных отклонений среднегодовой температуры пород от ее среднемноголетнего значения на юге криолитозоны наблюдаются периодические переходы среднегодовой температуры пород через ноль градусов в пределах ее значений от +1 до -1°С и эпизодические в диапазоне значений от +2 до -2°С. Поэтому в классификации по среднегодовой температуре выделены соответственно переходный и полупереходный типы сезонного промерзания и оттаивания пород (см. рис.5.2).

Переход среднегодовой температуры пород из диапазона -2…-5°С в положительные или из диапазона +2…+5°С в отрицательные температуры связан с резкими и глубокими изменениями теплообмена на поверхности Земли. Поэтому в этих интервалах среднегодовых температур выделены длительно устойчивые типы сезонного промерзания и протаивания пород.

В интервалах температуры от +5…+10°С и от -5…-10°С переход одного процесса в другой связан с длительными периодами изменения климата, поэтому выделяются устойчивые типы как сезонного промерзания, так и сезонного протаивания пород.

Рис.5.2. Классификация типов сезонного промерзания и оттаивания пород по среднегодовым температурам и амплитудам температур на поверхности (по П.И.Колоскову и В.А.Кудрявцеву)

Для температуры выше +10 и ниже -10°С переход одного процесса в другой практически невозможен. Поэтому тип сезонного промерзания пород с температурами от +10 до + 15°С назван южным, от +15 до +20°С – субтропическим, а тип сезонного протаивания пород со среднегодовой температурой от -10 до -15°С – арктическим и от -15 до -20°С – полярным.

По амплитуде колебания температуры на поверхности пород, величина которой зависит от континентальности климата, выделяются следующие типы сезонного промерзания и протаивания:

1) морской, с амплитудами менее 7, 5°С, свойственный морским побережьям умеренных широт;

2) умеренно-морской – от 7.5 до 11°С, к которому относятся многие районы северных морских побережий;

3) умеренно-континентальный – от 11 до 13.5°С, характерный для европейской части России;

4) континентальный – от 13.5 до 17°С, свойственный большинству районов Западной Сибири;

5) повышенно-континентальный – от 17 до 21°С, характерный для Среднесибирского плоскогорья;

6) резко континентальный – от 21 до 24°С, встречающийся во внутренних районах Среднесибирского плоскогорья и на севере Казахстана;

7) особо резко континентальный – выше 24°С, характерный для Якутии, впадин Северо-Востока России и Забайкалья.

Региональные особенности процессов промерзания и протаивания в данной классификации учитываются через состав и влажность почв и горных пород. По составу пород выделяются следующие типы: 1) скальные и полускальные породы; 2) гравийно-галечные и щебнистые породы; 3) пески; 4) супеси; 5) суглинки; 6) глины и 7) торф.

По влажности пород в классификации В.А.Кудрявцева выделяются четыре градации, в зависимости от количества воды, участвующей в фазовых переходах. Первая градация соответствует влажности породы меньше величины незамерзающей (пленочной) влаги (W_ест < W_нз), т.е. в данном случае фазовые превращения не происходят, льда в породе не бывает и как такового промерзания− протаивания наблюдаться не будет, а будет происходить сезонное нагревание или сезонное охлаждение пород. В последующих трех градациях фазовые переходы возрастают от 0 до максимальной величины при W_ест > W_п. Чем больше влаги находится в породе, тем большее количество тепла затрачивается на фазовые превращения и тем меньше будет мощность СТС или СМС. Поэтому в зависимости от величины влажности выделяются типы глубокого (а), среднего (б) и мелкого (в) сезонного промерзания (протаивания).:

а) W_нз < W_ест < W_нз + (W_п - W_нз);

б) W_нз + (W_п - W_нз) < W_ест < W_нз + (W_п - W_нз);

в) W_нз + (W_п - W_нз) < W_{ест ,}

где W_ест − естественная влажность грунт, определенная на момент начала промерзания или протаивания; W_нз – количество незамерзшей воды; W_п − полная влагоемкость.

Каждый выделенный тип сезонного промерзания и протаивания имеет свое наименование, например: арктический, континентальный, песчаный, глубокий; или: южный, континентальный, песчаный, глубокий.

Классификация В.А.Кудрявцева дает возможность картографировать типы сезонного промерзания и протаивания пород, т.е. условия формирования глубин СТС и СМС, практически в любом масштабе. Несмотря на то, что количество сочетаний основных характеристик, по которым определяется тип сезонного промерзания или протаивания, достаточно велико, на практике при производстве мерзлотной съемки в конкретном районе их бывает, обычно, не более 1-2 десятков.