Мерзлотно-геологические процессы в криолитозоне.

В зоне ММП наблюдается целый ряд геологических процессов. Повторно-жильные льды формируются в северной геокриологической зоне, где низкие температуры и небольшая мощность сезонноталого слоя, и достигают местами большой ширины и глубины по вертикали. Их развитие связано с морозобойными трещинами, образующими системы полигонов различной размерности и формы - тетрагональной (греч. " тетрагон" - четырехугольный) в однородных породах и неправильной - в разнородных. Основы современных представлений о развитии ледяных жил заложены работами Б.Н. Достовалова, А.И. Попова и др. Необходимыми условиями для образования повторно-жильных льдов являются: 1) многократное возникновение морозобойных трещин, проникающих в толщу ММП, глубже границы сезонного протаивания; 2) соответствующее многократное заполнение трещин льдом; 3) наличие достаточно пластичных или способных к уплотнению горных пород. При этом выделяются два типа роста жил: 1) эпигенетический, т.е. образующийся в пределах уже сформировавшихся горных пород (рис. 9.3, А); 2) сингенетический, т.е. формирующийся одновременно с накоплением осадков (рис. 9.3, Б). Это могут быть пойменный аллювий, делювиальные, болотные и другие отложения. В первом случае ледяные жилки а, б, в, г образуются при последовательных годовых циклах растрескивания и заполнения трещин льдом. При этом рост жил происходит главным образом в ширину, величина которой определяется условиями возможного напряжения сжатия расклинивающихся пород. Во втором случае, соответствующем сингенетическому росту, каждая последующая вклинивающаяся жила льда не доходит до конца предыдущей на величину h, равную накоплению осадка за год. Как видно из рисунка, по мере накопления осадка увеличивается вертикальная мощность повторно-жильного льда.

Рис. 9.4. Одна из псевдоморфоз повторно-жильного льда (по А.В. Кожевникову)

С разных точек зрения представляют интерес псевдоморфозы по ледяным жилам. При вытаивании ледяных жил образуются клиновидные полости, в которые происходит опускание, обрушение отложений, слагающих борта и кровлю трещин, испытывающих смятие, различные изгибы (рис. 9.4). Возникают своеобразные текстуры, называемые инволюциями (лат. " инволюцион" - изгиб, завиток) или криотурбациями. Такие псевдоморфозы встречены в ряде мест в четвертичных отложениях европейской части Союза и горных районах.

Морозное пучение характерно для различных районов криолито-зоны, хотя развито неравномерно вследствие локальных особенностей состава, строения и свойств пород. Небольшие бугры пучения могут возникать непосредственно за счет увеличения объема замерзающей воды в грунте. Но большие величины имеют миграционные бугры, когда к фронту промерзания мигрируют новые объемы воды из нижележащей талой части грунта, что сопровождается интенсивным сегрегационным льдообразованием (шлировым и линзовидным). Часто это бывает связано с торфяниками, к которым при промерзании мигрирует влага из пород со значительно большей влажностью. Такие бугры наблюдались А.И. Поповым в Западной Сибири.

Инъекционные бугры пучения образуются в условиях закрытой системы. Среди них выделяются бугры, возникающие в результате промерзания подозерных таликов и носящие якутское название " булгунняхи". К инъекционным буграм относятся также гидролакколиты (по сходству с лакколитами-одной из форм внедрения магмы в земную кору). Их формирование связано с внедрением различного типа трещинно-жильных вод. При этом образуется ледяное ядро, залегающее обычно на некоторой глубине от поверхности и приподнимающее кровлю. Такие многолетние гидролакколиты могут достигать высоты 10 м и более при ширине в десятки метров.

В криолитозоне развиты также мелкополигональные структурные формы, связанные с растрескиванием грунта на мелкие полигоны, неравномерным промерзанием сезонно-талого слоя и развитием в закрытых системах напряжений, а часто и разрывов. Среди таких мелкополигональных структур можно назвать пятна-медальоны в дисперсных грунтах. При промерзании сверху и по трещинам внутри полигона создается гидростатическое давление, происходит прорыв разжиженного грунта верхней мерзлотной корки и растекание по поверхности. Вторым типом полигонально-структурных форм являются каменные кольца и многоугольники. Это происходит в неоднородных по составу рыхлых породах, содержащих включения каменных обломков (щебня, гальки, валунов). В результате многократного промерзания и протаивания происходит " вымораживание" из породы крупного обломочного материала на поверхность и его перемещение в сторону пониженных трещинных зон, с образованием каменных бордюров. Процесс вымораживания крупного обломочного материала на поверхность подтверждается и строительной практикой в условиях развития ММП. Хорошо известны случаи строительства некоторых сооружений на сваях, установленных в сезонно-талом слое. Со временем происходило " вымораживание" свай, что, естественно, вызывало деформации сооружений.

К склоновым процессам в областях развития многолетней мерзлоты относятся два типа: 1) солифлюкция (лат. " солюм" - почва, грунт и " флюксус" -течь) и 2) курумы (каменные потоки). Под солифлюкцией понимается медленное течение по склонам рыхлых сильно переувлажненных дисперсных отложений. При сезонном протаивании льдонасыщенных дисперсных грунтов сезонно-талого слоя они сильно переувлажняются талыми и дождевыми водами, утрачивают структурные связи, переходят в вязкопластическое состояние и медленно перемещаются вниз по склону. Таким путем образуются натечные формы в виде языков, или солифлюкционных террас. Курумы представляют каменные подвижные россыпи в горах и плоскогорьях Восточной Сибири и других районов, где близко к поверхности подходят скальные породы. Образование обломочного материала курумов связано с морозным выветриванием при периодическом сезонном промерзании и оттаивании и с другими процессами. Курумы местами образуют сплошные каменные поля (размерами от первых сотен квадратных метров до нескольких десятков квадратных километров). Местами они являются истоками курумных (каменных) потоков, движущихся по склонам, часто по днищам небольших логов и ложбин. Такие линейные курумы, по данным Е.Н. Оспенникова, Н.И. Труш, протягиваются местами на расстояния до 1-1, 5 км и более. Движение курумов по склонам связывают с гольцовым льдом, который образуется при замерзании воды, проникающей в пустоты. Кроме того, в основании каменных курумов может находиться тонкий супесчано-суглинистый материал, переувлажняющийся при подтаивании гольцового льда и движущийся вниз. Все указанные формы, образующиеся в зоне ММП, видны на рис. 9.5.

Примеры деградации мерзлоты. Одним из наиболее известных и изученных примеров является термокарст, или термический карст. Такое название получил процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся просадками поверхности земли, образованием западин, неглубоких термокарстовых озер, под которыми могут возникнуть подозерные талики (вследствие отепляющего воздействия воды озер). Термокарстовые процессы бывают связаны или с потеплением климата, или с нарушением существующих естественных условий (рытье каналов, вырубка леса и др.). формы термокарстового рельефа различны (от мелких западин до крупных котловин), что зависит от того, какие типы подземных льдов и льдистых отложений подвергаются оттаиванию.

Так, например, термокарст по отложениям с мощными повторно-жильными льдами, по данным В.А. Кудрявцева, приводит к образованию достаточно глубоких (от 3-6 до 10-20 м) термокарстовых озер, при миграции или осушении их образуются аласные котловины, разделенные буграми останцов пород, которые вмещали вытаявшие ледяные жилы. Такие остаточные бугры называют байджерахами. Другими примерами деградации мерзлоты являются термоабразия на берегах озер и морей и термоэрозия движущимися водами и отепляющим их воздействием

Основные понятия о многолетнемерзлых породах, распространение, мощность, типы подземных льдов, возникновение криолитозоны.

МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГО́ РНЫЕ ПОРО́ ДЫ, породы, длительное время (не менее 2 лет подряд) содержащие лед и составляющие основную массу мерзлой зоны земной коры. 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. Криолитозона – зона многолетней мерзлоты, которая занимает порядка 25% площади суши Земли. Своим возникновением криолитозона, скорее всего, обязана четвертичным оледенениям. Косвенным подтверждением этому является наличие залегающих на глубине более 1 км многолетнемерзлых пород в районе озера Байкал, а также находки хорошо сохранившихся останков крупных млекопитающих. Происходящие в зоне многолетней мерзлоты геологические процессы связаны, в первую очередь, с расклинивающим горные породы действием замерзающих подземных вод. В свою очередь, это действие зависит от условий залегания и режима подземных вод, а также от характера подземных льдов.

По времени образования выделяют два главных типа подземных льдов: сингенетические и эпигенетические.

Сингенетические льды возникли синхронно с формированием горных пород территории. Они представлены такой разновидностью, как погребенные льды – захороненные под слоем морены блоки ледника.

Эпигенетические льды образовались после накопления горных пород. В их числе выделяют несколько разновидностей. Конституционные льды лидируют по объему в составе всех подземных. Они возникают при промерзании увлажненных горных пород, или при замерзании подземных вод при их приближении к мерзлым грунтам. Инъекционные льды образуются при внедрении в мерзлые породы напорных подмерзлотных вод. Жильные льды представляют собой интрузии льда в кристаллических породах. Повторно-жильные льды формируются в трещинах многолетнемерзлых рыхлых пород.

Подземные воды в мерзлых породах по условиям залегания можно разделить на три типа. Надмерзлотные воды представлены в сезоннооттаивающем (деятельном) слое, в жидком виде напором они не обладают. Межмерзлотные воды приурочены к таликам (прослоям и линзам не замерзших пород), находящимся внутри мерзлого слоя. Эти воды могут как сообщаться с надмерзлотными и подмерзлотными, так и быть изолированными.

Подмерзлотные воды лежат глубже мерзлых пород, часто обладают напором.

Морозное выветривание является главнейшим самостоятельным процессом криолитозоны. Кроме того, оно сопровождает практически все остальные происходящие здесь экзогенные явления. Именно благодаря морозному выветриванию, в составе поверхностных пород зоны многолетней мерзлоты широко распространены алевриты.

Морозное трещинообразование заключается в раздавливании рыхлых пород деятельного слоя замерзающей водой. Этот процесс, повторяясь из года в год в одном и том же месте (трещине), ведет к образованию тундровых полигонов. В однородных грунтах такие полигоны имеют форму четырехугольника, а в неоднородных – неправильного многоугольника. Морозобойные трещины заполняются льдом, или рыхлыми мелкодисперсными породами, или смешанной грунтово-ледовой массой. Морозобойные клинья достигают максимальных размеров, когда трещина рассекает не только деятельный слой, но и многолетнемерзлые породы. Рост клиньев обуславливает деформацию вмещающих пород, в результате его трещины могут обрамляться валиками выдавленных на поверхность грунтов.

Термокарст – это процесс вытаивания подземных льдов и последующего проседания земной поверхности. Он происходит тогда, когда глубина сезонного оттаивания грунтов превышает глубину залегания подземных льдов. В результате термокарста возникают блюдцеобразные котловины – аласы. В разрезе склонов аласов отчетливо видны вызванные просадкой деформации слоев горных пород (изменения угла падения слоев, сбросы и др.).

Процессы морозного вспучивания слоев горных пород происходят в результате замерзания залегающих на небольшой глубине подземных вод. Установлено, что давление, развивающееся при морозном вспучивании, достигает 140 т/кв. м. Примером бугров пучения являются гидролакколиты – куполовидные холмы с ледяным ядром.

Склоновые процессы криолитозоны включают крип, солифлюкцию, курумообразование и др. Крип – это медленное сползание по склону горных пород под действием силы тяжести. В условиях мерзлоты процессы пучения поднимают поверхностные породы в направлении, перпендикулярном склону холма. Во время таяния крупные обломки оседают вниз, с каждым циклом таяния оказываясь все ниже по склону. Солифлюкция – медленное течение пород. С приходом теплого сезона оттаивает поверхность склона. Лежащие глубже породы скованы льдом и играют роль водоупора. Поверхностные породы насыщаются талой водой и приходят в движение, оплывая вниз по склону со скоростью до нескольких сантиметров в год. Накапливающиеся таким путем у подножия слои называются солифлюксием. Курумообразование – это процесс выдавливания на поверхность крупных обломков. В холодный сезон крупные валуны промерзают быстрее, чем окружающие песчаные или глинистые породы. Возникающие под валунами линзы льда приподнимают их. В теплое время валун быстрее прогревается, лед под ним тает. Талая подземная вода захватывает мелкие частицы и отлагает их под валуном, не позволяя тому опуститься на первоначальную глубину. В результате многократного повторения процесса, крупные обломки, выдавленные на поверхность, формируют каменные поля и каменные реки, или курумы. Находящиеся на склоне курумы могут двигаться вниз под действием солифлюкции.