Подземные воды в криолитозоне.

Образование многолетнемерзлых пород, являющихся водоупорами, сильно изменили условия водообмена атмосферных и подземных вод в криолитозоне. Большая часть пресных подземных вод в криолитозоне приурочена к таликам.

Таликами или талыми зонами называются толщи талых горных пород,которыеразвиты с поверхности земли или под водоемами и реками и которые непрерывно существуют более десятка лет. Если талики снизу подстилаются мерзлыми породами, то они называются надмерзлотными или несквозными, а если талики только обрамляются по бокам мерзлыми породами, как стенками, то они носят название сквозных. Талики также могут быть межмерзлотными и внутримерзлотными в виде линз «тоннелей», «трубы», ограниченными со всех сторон мерзлыми породами.

Подземные воды криолитозоны по отношению к мерзлым породам - криогенным

водоупорам подразделяются на: 1) надмерзлотные; 2)	межмерзлотные; 3)
внутримерзлотные и4) подмерзлотные воды.
1. Надмерзлотные подземные воды подразделяются	на	временные воды
деятельного слоя и постоянные воды несквозных таликов.

Временные воды существуют только летом, и глубина их зелегания не превышает кровли мерзлых пород. Воды имеют важное значение для процессов солифлюкции, образования курумов, оплывин, пучения пород.

Постоянные воды связаны с несквозными таликами над кровлей мерзлых пород и они отвечают за образование гидролакколитов, бугров пучения, наледей.

2. Межмерзлотные воды обычно располагаются между двумя слоями мерзлых пород, например, между голоценовым верхним и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически не активны.

3. Внутримерзлотные воды, о чем говорит их название существуют внутри толщи мерзлых пород и находятся в замкнутых объемах, будучи приуроченными к таликам в карстующихся известняках.

4. Подмерзлотные воды циркулируют вблизи подошвы мерзлой толщи, обладают положительными температурами, иногда слабо или сильно минерализованы и могут быть напорными и ненапорными, а также контактирующими с мерзлой породой или неконтактирующими,т.е.отделенными слоем талых пород от мерзлых.

Криогенные формы рельефа.

Ландшафты криолитозоны характеризуются особыми, присущими только им формами рельефа, обусловленными процессами многократного промерзания и оттаивания слоя. Именно это обстоятельство приводит к формированию морозобойных трещин и различных полигональных форм рельефа, пучения, термокарста, курумообразования, течения почвы, грунта, оплывин и т.д. Рассмотрим эти формы криогенного рельефа.

1. Морозобойное растрескивание горных пород широко распространено в криолитозоне. Образование трещин в мерзлой породе обязано возникновению напряжений в ней при охлаждении и сжатии. Точно также образуются трещины столбчатой отдельности в базальтовых лавах или трещины в усыхающих такырах. Механизм один и тот же. Отличие в том, что морозобойные трещины могут возникать многократно на одном и том же месте. В районах с хорошо выраженным континентальным или морским климатом грунт оказывается разбитым системами перпендикулярных трещин таким образом, что на местности становится хорошо видна

полигональная, четырехугольная или другая структура. Размеры этих полигонов могут быть самыми разными от первых десятков см до 20-30 см.

Образование морозобойных трещин неизбежно приводит к возникновению полигонально-жильных структур или ПЖС различных типов.Наиболее важными из нихпредставляются повторно-жильные льды – ПЖЛ, шире всего развитые в северных районах криолитозоны (рис. 13.6.1).

Рис. 13.6.1. Строение ледового комплекса Колымской низменности у Дуванского Яра (составлено под руководством Т.Н.Каплиной): 1 – ледяные жилы (повторно-жильные льды); 2 – алевриты с сильными загибами слоев у контактов с ледяными жилами; 3 – то же, без деформаций у контактов; 4 - 6 – алевриты погребенные (4), покровного слоя (5) и оторфованные (6); 7 – пески; 8 – торф; 9 – вытаявшие ледяные жилы; 10 – остатки древней древесины; 11 – абсолютный возраст отложений по радиоуглероду, год

ПЖЛ – образуются либо после формирования мерзлых пород и тогда они называются эпигенетическими, либо одновременно с ними – сингенетические.

Эпигенетические ПЖЛ возникают в многолетнемерзлых отложениях выше которого находится деятельный слой (рис. 13.6.2,А ). Возникшая зимой морозобойная трещина, летом, когда деятельный слой оттаивает, заполняется водой. Образовавшийся лед зимой расширяет трещину, она вновь заполняется водой, и весь процесс зимой повторяется. Так будет происходить много раз, и ледяной клин в мерзлых породах будет расширяться, а в деятельном слое лед будет летом таять. Все это ведет к образованию ледяных жил, а ежегодные, тонкие слои новообразованного льда позволяют определить, сколько времени росла эта ледяная жила.

Сингенетические ПЖЛ растут одновременно с осадконакоплением песчано-суглинистых и торфяных отложений на аккумулятивных элементах рельефа. Каждый год

накапливаются новые осадки, которые подвергаются морозобойному растрескиванию и ледяная жила как бы растет вверх, напоминая вложенные друг в друга конусы (рис.13.6.2,Б). Сингенетические ПЖЛ обычно самые крупные и мощные, достигают в высоту 60 м, а в ширину 6-8 м.

Рис. 13.6.2. Схема эпигенетического (А) и сингенетического (Б) роста повторно-жильных льдов (по Б.А.Достовалову): I-IV – последовательные стадии роста жил, а-г – ежегодно образующиеся элементарные ледяные жилки, ∆h – мощность накапливающегося за 1 год слоя при сингенезе, h и c – высота и ширина элементарной жилки, m - общая ширина клина

Если ледяные жилы вытаивают, то освободившееся пространство заполняется различным грунтом, т.е. вторичными образованиями, называемыми псевдоморфозами по повторно-жильным льдам.Особенно широко они развиты там,где в геологическомпрошлом существовала криолитозона. Подобные псевдоморфозы развиты в средней Европе, на Украине, в Монголии, Китае и других местах (рис. 13.6.3).

Рис. 13.6.3. Псевдоморфозы по повторно-жильным льдам: 1 - почвенно-растительный слой и гумусированные породы, 2 – тяжелые суглинки, 3 – супеси, 4 – торф, 5 – песок и гравий, 6 – слоистость пород и мелкие сбросы

Таяние крупных повторно-жильных ледяных клиньев приводит к возникновению котловин протаивания, между которыми возвышаются конусовидные бугры, называемые байджерахами (рис. 13.6.4). Это те породы,которые раньше располагались междуледяными клиньями. Высота байджерахов составляет 2-5 метров и если их много, то возникает своеобразный рельеф, похожий на многочисленные термитники.

Кроме ПЖЛ существуют т.н. изначально-грунтовые жилы, возникающие при заполнении трещины водонасыщенным грунтом, который затекает или осыпается со стенок трещины. Образуется как бы жила из породы.

Песчаные жилы образуются точно таким же способом, только в морозобойные трещины попадает песок, развеваемый ветрами в сухом, очень холодном климате. В некоторых случаях формируются песчано-ледяные жилы, которые в Якутии, в Западной Сибири проникают глубже деятельного слоя.

К полигональным формам рельефа криолитозоны относятся, кроме описанных выше, пятна-медальоны, полигонально-валиковые формы рельефа: каменные многоугольники и байджерахи.

Пятна-медальоны обладают размерами от 0,2-0,3 до 1-2 м, разграничены друг от друга морозобойными трещинами и образуют характерную поверхность, напоминающую гигантскую чешую (рис. 13.6.5).

Рис. 13.6.4. Образование байджерахов: 1 – повторно-жильные льды, 2 – вытаивание льдов и образование байджерахов в виде земляных конусовидных холмиков

Проникновение морозобойных трещин происходит до подошвы деятельного слоя. При начале промерзания, которое происходит по бокам трещины быстрее, в центре структуры создается избыточное давление и еще талый глинистый или песчано-суглинистый грунт может прорвать тонкую промерзшую поверхностную корочку деятельного слоя и в виде жидкой массы залить какую-то площадку (рис. 13.6.6). Образуется пятно из грязи, ограниченное полигональной сеткой трещин (рис. 13.6.7). Такой процесс может повторяться многократно и по краям пятен-медальонов нередко возникает травянистая растительность. Пятна-медальоны образуют различную морфоскульптуру ландшафтов (рис. 13.6.8). Иногда бордюр и центральная часть находятся на одном уровне; в другом случае бордюр опущен, а центр медальона приподнят; в третьем – бордюр приподнят, а центр – опущен. Все разновидности определяются характером движения разжиженной грунтовой массы (рис. 13.6.9).

В деятельном слое происходит морозная сортировка обломочного материала, главными факторами которой являются морозное пучение и формирование полигональной системы морозобойных трещин. Она наиболее эффективна в верхней части деятельного слоя, когда крупный каменный материал оттесняется к краям полигональных структур, а центр занят мелкоземом. Выпучивание или вымораживание каменных обломков происходит потому, что под ними раньше наступает промерзание и образуются ледяные линзы, которые приподнимают обломки. Летом, когда деятельный слой оттаивает, место ледяной линзы занимается жидким грунтом, вследствие чего обломок не может снова опуститься, а зимой процесс повторяется и обломок вновь приподнимается, пока не окажется на поверхности. Точно также выпучиваются сваи, вкопанные только в деятельный слой.

Рис. 13.6.5. Полигональные структуры – каменные многоугольники

Процесс неравномерного промерзания в полигональной сети морозобойных трещин, приводит, как уже говорилось, к увеличению давления внутри отдельно взятого полигона, под действием которого, прорвавшийся наверх разжиженный грунт, сдвигает в стороны вымороженные на поверхность камни, которые образуют каменные полигоны (рис. 13.6.10) или каменные многоугольники - площадки с тонким материалом в центре и каменными обломками по краям (рис. 13.6.11).

Рис. 13.6.7. Схема образования грунтовых пятен: 1 – трещина в сезонномерзлом слое; грунт: 2 – сезонномерзлый, 3 – вечномерзлый, 4 – талый ( по Б.Н. Достовалову, В.А.Кудрявцеву)

Рис. 13.6.6. Схема миграции воды и сортировки обломочного материала в рыхлой породе (по А.К.Орвину)

Весь процесс контролируется неоднократным промерзанием и оттаиванием деятельного слоя.

Рис. 13.6.8. Каменные полосы (а), каменные кольца (б), каменные многоугольники (в)

Термокарст.

Изменение теплового режима в поверхностной части криолитозоны приводит к протаиванию отдельных участков грунта, вытаиванию сегрегационных и жильных льдов и, как следствие, к просадке грунта и возникновение специфических форм термокарстового, отрицательного рельефа. Это небольшие углубления,

Рис. 13.6.9. Основные морфологические типы пятен медальонов: I – плоские или слабо выпуклые, II – выпуклые на пьедесталах кочках, III – плоские или вогнутые. 1 – суглинок или супесь, 2 – гумусированный грунт, 3 – торф

Рис. 13.6.10. Полигональные поля

Рис. 13.6.11. Сортированные каменные многоугольники.

Северная Земля ( фото В.Г.Чигира)

воронкообразные просадки, округлые котловины, как правило, занятые озерами или уже осушенные и называемые аласами в Якутии, а в Западной Сибири – хасыреями. Аласы могут быть в десятки км в диаметре и глубиной в 30-40 м, а в их днище формируются озерно-болотные отложения (рис. 13.7.1).

Рис. 13.7.1. Схема последовательных стадий (I - IV) развития аласного рельефа (по П.А.Соловьеву): 1 - суглинок в первичном залегании, 2 – суглинок и отложения ледового комплекса, перемещенные при развитии термокарста, 3 – ледовый комплекс, 4 – отложения, подстилающие ледовый комплекс, 5 – озерные и озерно-болотные аласные отложения, 6 – отложения, выполняющие псевдоморфозы по повторно-жильным льдам, 7 –инъекционные и сегрегационные льды, 8 –поверхность многолетнемерзлой толщи, 9 – первичная поверхность, 10 - озерные воды

Термокарстовый рельеф особенно широко развит на аллювиальных аккумулятивных равнинах в арктическом и субарктическом поясах, где котловины протаивания чаще всего заняты озерами, вода в которых, аккумулируя тепло, сама способствует дальнейшему протаиванию мерзлого грунта, вплоть до образования подозерных несквозных таликов. В южных районах криолитозоны, проявления современного термокарста сходят на нет.

Мерзлые породы чрезвычайно чувствительны к любому, даже самому незначительному техногенному нарушению природного теплового режима. Строительство дорог, нефте- и газопроводов, вырубка леса, даже след от трактора, тут же приводит к изменению теплового равновесия, начинается усиление протаивания и развитие термокарста, бороться с которым очень трудно.

Процессы морозного пучения связаны с образованием льда и увеличением объема породы в деятельном слое, сложенном тонкодисперсными породами и торфяниками. Отдельные многолетние бугры пучения, достигают в высоту 15-20 м, и в диаметре до 100 м, но чаще – меньше.

Сегрегационные бугры пучения могут быть сезонными и многолетними. Они формируются, когда влага устремляется к фронту промерзания, и при этом образуются шлеры льда, что вызывает увеличение объема и поднятие поверхности. Этот процесс может происходить ежегодно. Зимой с возникшего многолетнего бугра пучения снег сдувается, что вызывает увеличение глубины промерзания и «дополнительную» миграцию влаги, приводящую к интенсивному льдообразованию и, соответственно, росту бугра. Такой процесс может продолжаться сотни лет и впоследствии бугор пучения как бы «умирает» переходя в реликтовое состояние.

Многолетние инъекционные бугры пучения или булгунняхи(пинго) возникают в связи с промерзанием таликов, располагающихся часто под озерами и старицами рек, в частности, после осушения термокарстовых озер, аласов и др. Когда термокарстовое озеро осушается, то талые породы под ним начинают промерзать а увеличивающееся давление выжимает талый грунт вверх, приподнимая образовавшуюся над ним мерзлотную корку. Образуется бугор пучения, который в дальнейшем растет, т.к. талый грунт все больше и больше промерзает за счет выделения сегрегационного льда. И, наконец, вместо талика образуется ледяная линза, находящаяся внутри бугра или булгунняха. Размеры булгунняхов достигают в диаметре до 200 м, а в высоту в 30-60 м (рис. 13.7.2).

Гидролакколиты формируются при вторжении напорных надмерзлотных и подмерзлотных вод в талый грунт в местах разгрузки подземных вод и во время

промерзания образуется также ледяная линза, залегающая согласно с вмещающими породами, которые надо льдом приподнимаются образуя бугры.

Разнообразные процессы пучения в поверхностной части криолитозоны распространены чрезвычайно широко и обладают различными формами проявления. Структуры пучения создают большие трудности при строительстве в области распространения многолетнемерзлых пород

Рис. 13.7.2. Разрез булгуняха. Лено-Амгинское междуречье. Центральная Якутия ( по П.А.Соловьеву): 1 – супеси, 2 – суглинки, 3 – пески, 4 – лед, 5 – верхняя граница мерзлых пород, 6 – граница ядра с выделением линзочки чистого льда, 7 – напор водоносного горизонта

Рис. 13.7.3. Разрез бугра пучения в долине р. Хантайки (по Г.С. Константиновой): 1 – шлиры льда мощностью до 20 - 25 см, 2 – торф, 3 – суглинок, 4 – глина, 5 – песок, 6 – верхняя поверхность вечной мерзлоты

Наледи. Зимой, в областях «вечной» мерзлоты многие реки местами промерзают до дна. Вода, которая еще находится в отдельных участках русла и в речном аллювии, ищет выхода и вырывается на лед, растекаясь по нему тонким слоем. Так может повторяться много раз и, в конце концов, образуется толща льда, мощностью в первые метры и площадью в десятки и сотни км². Наледи речных вод прекращают свой рост к январю, а наледи грунтовых, межмерзлотных и подмерзлотных вод растут до весны и летом не успевают растаять, образуя большие ледяные массивы – тарыны. Самые крупные наледи известны в Момо-Селенняхской впадине, в районе хр.Черского, например, Момский

Улахан-Тарын, площадью более 100 км² и мощностью до 6 м. Если нарушить

естественные пути движения воды, то наледи будут возникать там, где их раньше не было

и мешать строительству мостов, дорог и др. Поэтому осуществляют специальные противоналедные меры.

Таким образом, существуют наледи речных, надмерзлотных и подмерзлотных вод. Иногда вода не может подняться на поверхность в силу разных причин, например, если она попадает в пространство между многолетнемерзлыми породами и промерзшими сезонноталыми слоями. Тогда она, замерзая, превращается в ледяную линзу, которая увеличиваясь в объеме, приподнимает кровлю, образуя гидролакколит или подземную наледь. Такие наледи могут быть однолетними или многолетними,особенно там,гдепроисходит непрерывная разгрузка подземных вод. Мощность ледяного ядра в таком случае может достигать 10 м. Но залегает оно, как правило, неглубоко, всего в 2-3 м от поверхности.