Распространение и строение вечномерзлых грунтов

В странах с отрицательными зимними температурами зимой грунт промерзает. Образуется сезонная мерзлота. На Земле на огромной площади (около 25% всей суши) существует и так на­зываемая вечная мерзлота^х. Самые большие площади, занятые вечной мерзлотой, располагаются в Канаде и России. В России она занимает более 60% территории. Вечная мерзлота развита в северных, северо-восточных и восточных районах. В европейской части России ее южная граница примерно совпадает с северным полярным кругом (чуть севернее на Кольском полуострове и не­сколько южнее в пределах Большеземельской тундры), языком опускается к югу по Уралу почти до 60° с.ш., затем проходит в широтном направлении примерно по 62 параллели от Урала до Енисея, где круто поворачивает на юг и продолжается вдоль Ени­сея, захватывает Саяны и Алтай и уходит за пределы России. На Дальнем Востоке свободны от вечной мерзлоты территории, ле­жащие к востоку от меридионального течения р. Амура (за ис­ключением северной части Сихотэ-Алиня), о. Сахалин, а также низменная полоса прибрежной части южной половины Камчат­ки. Территория, на которой развиты вечномерзлые грунты, назы­вается криолитозонои^[31].

По мерзлотно-температурному режиму выделяется несколько зон вечной мерзлоты. К южной границе вечной мерзлоты при­мыкает зона отдельных островов многолетнемерзлых пород мощ­ностью до 25 м, затем зона несплошной (разделенной таликами) вечной мерзлоты максимальной мощностью до 100 м и, наконец, зона сплошной мерзлоты мощностью от 100—500 до 1000 м и более. Максимальная ее мощность наблюдается в Арктическом поясе азиатской части России, в северной и северо-восточной частях Среднесибирского плоскогорья, Колымской и Лено-Ви- люйской низменностях (буровая скважина в устье р. Колымы глу­биной 1470 м не прошла всю толщу вечной мерзлоты).

Для горных районов (в том числе Алтая и Саян) в распростране­нии различных типов вечной мерзлоты наблюдается вертикальная поясность — с увеличением высоты растет мощность многолетне- мерзлых пород.

Образование вечной мерзлоты, как и наземных оледенений, обусловлено космическими и планетарными причинами, но под­держивается мерзлота современными климатическими условиями. В отличие от наземного оледенения вечная мерзлота развивается и существует в условиях субарктического или резко континенталь­ного климата, характеризующегося продолжительной, холодной и малоснежной зимой.

В летнее время самые верхние горизонты вечномерзлой толщи оттаивают, зимой замерзают. Неоднократный переход воды из одного фазового состояния в другое сообщает неустойчивость, т.е. подвижность поверхностной толще. В результате возникают различные формы движения грунта и различные формы рельефа, свойственные только областям с вечномерзлым грунтом.

Слой сезонного промерзания и оттаивания, мощность которого колеблется от 1 до 4 м, называют деятельным слоем. Ниже его за­легает собственно мерзлый слой. Эти слои отличаются друг от друга в летнее время, зимой они не имеют четко выраженной границы.

В областях распространения многолетнемерзлых пород развиты различные типы льда: лед-цемент — образуется за счет замерза­ния влаги в порах дисперсных горных пород; сегрегационный^[32] — выделяется в виде ледяных прослоек при промерзании увлажненных глинистых и пылеватых пород; погребенный — продукт погребения наземных льдов; инъекционный — образуется при внедрении под­земных вод под большим напором или в мерзлую толщу, или по контакту мерзлых и талых пород; повторно-жильный — продукт многократно повторяющегося замерзания воды в морозобойных трещинах, периодически возникающих в одном и том же месте. Развитие повторно-жильных льдов сопутствует процессу трещи- нообразования. Повторно-жильные льды могут быть сингенети­ческими,, формирующимися одновременно с осадконакоплением, и эпигенетическими, возникающими после образования горной по­роды. Различные типы льдов находят разное отражение в рельефе.

Так как вечная мерзлота занимает огромные территории — криогенным процессам принадлежит существенная роль в форми­ровании рельефа земной поверхности. Изучение процессов релье­фообразования в областях распространения вечной мерзлоты и конкретных форм рельефа, возникающих в результате криоген­ных процессов, имеет очень большое значение в России, где, как уже указывалось, более 60% территории заняты вечномерзлыми грунтами. На обширных пространствах, занятых вечной мерзло­той, сосредоточены огромные природные ресурсы — лес, гидроре­сурсы, различные виды полезных ископаемых: нефть, газ, уголь, железо, алмазы, цветные и редкие металлы и др. В связи с этим происходит интенсивное освоение районов распространения веч­ной мерзлоты: создаются новые территориально-производствен­ные комплексы (ТПК), ведутся буровые работы, закладываются шахты и карьеры, сооружаются гидро- и тепловые электростанции, строятся газо- и нефтепроводы, шоссейные и железные дороги, возводятся промышленные объекты, города и поселки и т.д. Тща­тельное и всестороннее изучение процессов, обусловленных вечной мерзлотой, диктуется задачами предотвращения вредных послед­ствий хозяйственной деятельности человека. Природно-территори- альные комплексы (ПТК) в условиях вечной мерзлоты отличаются большой уязвимостью. Нарушенные ПТК восстанавливаются крайне медленно. Поэтому особую остроту приобретают вопросы, связанные с охраной природы в областях распространения вечной мерзлоты.

Мерзлотные формы рельефа

Мерзлотные (криогенные) формы рельефа развиты в областях распространения вечной мерзлоты, но встречаются и в областях сезонного промерзания грунтов. Образование и развитие мерз­лотных форм рельефа обусловлено криогенными процессами, связанными с промерзанием и протаиванием горных пород, со­держащих различные типы воды, а также с зимним охлаждением верхних горизонтов мерзлых пород. К криогенным процессам относятся: 1) пучение и наледеобразование\ 2) криогенное выветри­вание, морозная сортировка, криогенный крип, солифлюкция и др.; 3) морозобойное растрескивание; 4) термокарст. В формировании большинства криогенных форм рельефа участвует не один из пере­численных процессов, а их совокупность. Криогенные процессы взаимодействуют с другими экзогенными процессами — эрозией, абразией, делювиальным смывом — и придают им особую специ­фику.

Интенсивность и характер проявления криогенных процессов зависят от зональных (климатических) и региональных факторов, к числу которых относятся геологическое строение и соотношение денудационных и аккумулятивных процессов. Согласно А.И. По­пову, последний фактор является определяющим в криогенном морфогенезе. Он выделяет области преобладающей денудации, куда относятся преимущественно горные районы, области относитель­ной стабилизации (без заметного сноса и накопления осадков), приуроченные к равнинам, плато и плоскогорьям, и области пре­обладающей аккумуляции — это поймы и дельты рек, пониженные заболоченные равнины, низменные морские побережья.

Каждой из выделенных областей присущ один или группа веду­щих рельефообразующих криогенных процессов, наиболее ярко выражающихся в рельефе. В областях преобладающей денудации преимущественное развитие получают криогенное выветривание и криогенные склоновые процессы; в областях относительной стабилизации — криогенное выветривание, морозобойное рас­трескивание, термокарст; в областях преобладающей аккумуля­ции — пучение и морозобойное растрескивание. На характер криоморфогенеза влияют также состав подстилающих пород, сте­пень их промерзания и льдистости, климатические условия дан­ной территории и т.д.

На плоских участках вершинной поверхности гор, а также на междуречьях плато и плоскогорий, сложенных скальными поро­дами, в результате главным образом криогенного выветривания образуются плащеобразные скопления глыбового и щебнистого ма­териала, получившие название каменных россыпей или каменных морей (курумы, см. рис. 58). Различие петрографического состава пород, подвергающихся криогенному выветриванию, проявляется в рельефе в виде останцов выветривания — столбообразных скал неправильной формы, сложенных наиболее устойчивыми порода­ми (якут. — кигилляхи). Наиболее широкое развитие кигилляхи получают при морозном выветривании гранитов (рис. 129).

На горизонтальных и субгоризонтальных поверхностях областей относительной стабилизации, сложенных смесью грубообломоч- ного материала и мелкозема, в результате морозной сортировки образуется так называемый "структурный микрорельеф", пред­ставленный разнообразными формами: каменными многоугольни­ками, сетями, кольцами (рис. 130). Главными факторами развития

Рис. 129. Гранитные останцы криогенного выветривания — кигилляхи (о. Четырехстолбовый в архипелаге Северная Земля. Фото А. С. Савинева)

этих форм являются: заложение морозобойных трещин при про­мерзании и резком охлаждении верхней части деятельного слоя; вымораживание к поверхности крупного обломочного материала; вспучивание мелкоземистого грунта при осеннем промерзании; морозная сортировка материала на поверхности с образованием каменных обрамлений и мелкозема в центре каждой ячейки в ре­зультате сползания обломков в сторону пониженных трещинных зон. Размеры ячеек изменяются от 10 см до 2—3 м в поперечни­ке. Каждая ячейка достаточно четко отделена от соседней не только в плане, но и в разрезе в виде клиньев или карманов крупнообломочного материала. Наиболее совершенна сортировка в приповерхностной части разреза, с глубиной сортировка умень­шается и у основания деятельного слоя совсем исчезает (рис. 131).

На выровненных участках, сложенных однородными относи­тельно малольдистыми породами, основным рельефообразующим криогенным процессом является морозобойное растрескивание, сопровождающееся формированием в трещинных зонах грунто­вых жил (в результате заполнения трещин мелкоземом) и полиго­нально-блочного рельефа на поверхности. Размеры блоков могут быть различными — от первых десятков метров до 100 м и более в поперечнике (рис. 132, А, приложение 22). На блоках широко развиты формы микрорельефа — пятна-медальоны. Динамические

Рис. 130. Структурные грунты: А — каменные сети (Заилийский Алатау. Фото А. П. Горбу нова); Б — каменные кольца (о. Шпицберген. Фото А. Яна); В — каменные мно­гоугольники

Рис. 131. Схема миграции воды и сор­тировка обломочного материала в рыхлой толще (по Л. К. Орвику)

процессы, ведущие к образова­нию пятен-медальонов, сходны с процессами, в результате ко­торых образуются каменные кольца и многоугольники, и связаны с миграцией разжи­женной однородной грунтовой массы к фронту промерзания. Пятнам-медальонам обычно присуща округлая, овальная, иногда полигональная форма диаметром до нескольких десятков сантиметров. Поверхность пя­тен может быть плоской, слегка выпуклой или вогнутой, лишен­ной растительного покрова (рис. 132, Б).

На склонах гор, сложенных скальными породами, в гольцовой зоне широко развиты нагорные террасы (см. рис. 118), а также ку­румы, из структурного микрорельефа — каменные полосы (рис. 133). Курумы и каменные полосы распространены и на склонах эрозион­ных форм в пределах плато и плоскогорий, сложенных твердыми породами. Там, где склоны сложены рыхлыми отложениями, разви­ты солифлюкционные формы рельефа. Под действием солифлюкции пятна-медальоны приобретают вытянутую вниз по склону форму, трансформируясь в полосную солифлюкцию (см. рис. 52, 53).

У южной границы вечной мерзлоты, в условиях резко конти­нентального климата и глубокого сезонного промерзания и прота- ивания грунтов (Забайкалье, юг Восточной Сибири), полигональ­но-блочный рельеф приобретает особую специфику. Вследствие просадки грунта по трещинам (особенно на участках их пересечений) под влиянием инфильтрации атмосферных осадков и частичного смыва грунта в трещины блоки приобретают пологовыпуклую или куполообразную форму. Так возникает бугристо-западинный рельеф (рис. 134).

тштшшш,

В областях относительной стабилизации, сложенных рыхлыми сильнольдистыми сингенетически мерзлыми толщами с мощными полигонально-жильными льдами, широко развиты термокарстовые процессы, которые приводят к образованию разнообразных форм: от мелких термокарстовых западин до обширных термокарстовых озер и глубоких, разнообразных по площади котловин-аласов. Размеры аласов колеблются от нескольких десятков метров до нескольких километров в поперечнике, глубина их достигает 30 м (см. рис. 136, Б,

Рис. 132. А. Полигонально-блочный рельеф (аэрофото). Б. Пятна-медальоны на поверхности блоков (Таймыр. Фото А.И. Попова)

приложение 22). Особенно широко термокарстовые котловины развиты на древних аллювиальных равнинах центральной и север­ной Якутии, где формируются специфичные озерно-термокарстовые ландшафты. На склонах речных долин и аласов развиты термо­эрозионные рытвины и овраги, солифлюкция.

Рис. 133. Каменные полосы на пологом склоне (Тува. Фото Ю.В. Мудрова)

В областях преобладающей ак­кумуляции — поймах и дельтах рек, приморских низменностях (лайдах), низменных заболоченных равни­нах, мелких озерах и днищах ала- сов — в ходе сингенетического (т.е. одновременного) с осадконакопле- нием промерзания происходит раз­витие своеобразных мерзлотных об­разований. Это главным образом ледяные полигональные жилы, свя­занные с морозобойным растрес­киванием, растущие вверх вместе с накоплением осадков. Рост ледяных клиньев приводит к выжиманию грунта в стороны и вверх по контак­ту с ледяными клиньями (рис. 135). В результате образуются валиковые полигоны. Высота валиков несколько десятков сантиметров (редко более 0,5 м), ширина 1—3 м, ширина канавок между валиками смежных полигонов 1—2 м, средний по­перечник полигонов 15—25 м, реже больше.

Рис. 134. Бугристо-западинный рельеф (Приморская низменность)

Рис. 135. Сингенетическая ледяная жила. На фото хорошо видна деформация слоев осадков на контакте с ледяной жилой (Фото Т.П. Кузнецовой)

На рыхлых грунтах пойм, речных и морских террас наблюдают­ся и более крупные формы рельефа подобного типа, так называе­мые тетрагональные грунты (рис. 136). Валообразные гребни у них высотой до 2 м, а в поперечнике ровных площадок — 100—200 м. А.И. Попов наблюдал на Западно-Сибирской равнине и в Боль- шеземельской тундре блоки, размеры которых достигали 300, 500 и даже 1000 м в поперечнике. Это уже формы не микро-, а мезо­рельефа.

В областях преобладающей аккумуляции часто встречаются многолетние бугры пучения — гидролакколиты (в Якутии их назы­вают булгунняхами, в Канаде — пинго). Образование их связано с внедрением ("инъекцией") подземных вод между многолетнемерз- лой толщей и промерзшей частью сезонно-талого слоя. Высота гидролакколитов колеблется от 10 до 30 м, реже больше, диаметр — от нескольких десятков до сотен метров. На поверхности бугров пучения часто наблюдаются динамические трещины, а иногда тер­мокарстовые воронки и кратерообразные термокарстовые озера (рис. 137, приложение 23). Многолетние бугры пучения, возникшие на месте торфяных болот, называют торфяными буграми. Размеры их невелики: высота 2—4 м, иногда до 8 м, диаметр основания от 5 до 30 м (рис. 138). Бугры пучения могут быть и сезонными: они появляются зимой и разрушаются летом. Размеры таких бугров

Рис. 136. А. Полигонально-вали- ковый рельеф. Б. Полигональ- но-валиковый рельеф на пойме северной реки — тетрагональные грунты (Фото Б.А. Тихомирова). В. Полигонально-валиковый рель­еф и булгуннях на пойме р. Яны (аэрофото)

Рис. 137. Бугор инъекционного пучения (пинго). Северная Канада (Фото А. Уошберна)

небольшие: высота 30—40 см, поперечник 2—3 м. Следует отме­тить, что все формы пучения, независимо от их размеров, создают наибольшие трудности при строительстве в областях распростра­нения вечномерзлых грунтов.

В областях распространения вечной мерзлоты часто встреча­ются наледи, связанные с замерзанием выходящих на поверхность грунтовых вод или с постепенным промерзанием реки и сужением в связи с этим живого сечения русла. В результате создается значи­тельный напор, и вода, не умещаясь в суженном русле, находит ослабленные участки в речном льде, прорывает его, выливается на поверхность и замерзает. Образуется речная наледь. Особенно крупные наледи образуются в долинах горных рек, питающихся мощными подземными источниками. Площадь таких наледей может достигать десятков квадратных километров, а мощность — нескольких метров. Гигантские наледи, развитые в горных доли­нах Якутии, называют тарынами. Геоморфологическое значение наледей в том, что они способствуют развитию фуркации русла и образованию резких расширений долин. Подобные расширенные участки поймы называются наледными полянами. Они отчетливо выделяются на местности по отсутствию в их пределах древесной растительности. В ряде случаев наледи служат своеобразными плотинами, за которыми образуются озера. Спуск таких озер при­водит к паводкам и интенсивным эрозионным процессам.

Рис. 138. А. Растущие торфяные бугры пучения. Б. Лиственница, разорванная снизу в результате формирования бугра пучения (Фото А.П. Тыртикова)

Специфичные формы рельефа образуются при деградации веч­ной мерзлоты. Прежде всего это разнообразные термокарстовые формы, о которых речь шла выше. В ряде случаев термокарст раз­вивается и под влиянием хозяйственной деятельности человека: после рубки леса, под пашней, при рытье котлованов и канав, на участках лесных пожаров. Подобно формам пучения, термокар­стовые явления создают немалые трудности при хозяйственном освоении территорий с вечномерзлыми грунтами.

С оттаиванием вечной мерзлоты связаны термоабразионные и термоэрозионные процессы. Термоабразией называется термиче­ское воздействие морского волнения на берега, сложенные веч­номерзлыми грунтами. Под влиянием волнения у линии берега вырабатывается ниша вытаивания. По мере углубления ниши на­висающий над ней карниз обрушивается, формируется термо­абразионный клиф. Термическая абразия всегда сопровождается солифлюкционными процессами (приложение 27). Термоэрозионные формы — разнообразные эрозионные формы рельефа, обязанные своим происхождением не только механическому и химическому, но и термическому воздействию поверхностных водных потоков на дно и берега, сложенные мерзлыми грунтами. В условиях веч­ной мерзлоты такие эрозионные формы, как рытвины и овраги, растут очень быстро. Эрозионные формы часто закладываются вдоль термокарстовых понижений или по трещинам полигональ­ных грунтов. В последнем случае образуются специфичные формы рельефа — байджарахи — останцы мерзлого грунта, слагавшего ядро (блок) мерзлотного полигона. Высота байджарахов от одного до нескольких метров, диаметр основания до нескольких десятков метров (рис. 139).

Своеобразны и реки областей с вечномерзлыми фунтами. Ле­том они многоводны, поэтому обладают большой живой силой, интенсивно расширяют свои долины. Этому способствует и тер­мическое воздействие воды на мерзлые грунты, слагающие бере­га. Быстрое расширение долин приводит к тому, что поймы рек перестают заливаться даже в высокие половодья и превращаются в невысокие надпойменные террасы.

На участках широтного течения рек четко выражена асиммет­рия склонов долин, обусловленная экспозицией: склоновые про­цессы на склонах северной и южной экспозиции происходят с разной интенсивностью.

Таким образом, области распространения вечной мерзлоты от­личаются своеобразием и большим разнообразием форм микро- и мезорельефа, пространственное соотношение которых представ­лено на идеализированной схеме (рис. 140).

Рис. 139. А. Причудливые остаточные формы разрушающихся байджарахов (р. Яна. Фото A.M. Попова). Б. Разрушающийся се­зонный бугор-гидролакколит. Видно ледяное ядро (инъекционный лед). Пойма р. Ныды (Фото С. Колесникова)

Рис. 140. Формы микро- и мезорельефа, связанные с мерзлотой в четвертичных отложениях (по С.Г. Бону): а — нагорные террасы; б — курум; в — каменная река; г — каменные гирлянды; д — солифлюкционные (натечные террасы); е — солифлюкционный вал (вал пучения); ж — скольжение камня по переувлажненному грунту; з — каменные полосы; и — ячеис­тые формы структурных грунтов; к — крупнобугристый рельеф; л — трещинные мо­розные полигоны (ледяные клинья); м — мелкобугристый рельеф; н — полигональные грунты

Криогенные процессы и связанные с ними формы рельефа были широко развиты в перигляциальных областях в эпохи оледенений. Реликты этих форм наблюдаются в пределах современного уме­ренного пояса: они находят отражение в субстрате: в виде псевдо­морфоз по ледяным клиньям, криотурбаций (от лат. turbatio — беспорядок) — нарушений в залегании горизонтов почвы и грунта, под влиянием мерзлотных процессов, имеющих вид завихрений, изгибов, колец, микроскладок и др. (рис. 141), и микрорельефе, который, в свою очередь, позволяет легко "читать" рисунок сетей древних полигонов на аэрофотоснимках (рис. 142). Реликтовый полигональный рельеф контролирует заложение эрозионных форм низких порядков (потяжин, рытвин, промоин), влияет на плано­вую конфигурацию малых водосборов, отражается на характере современного почвенно-растительного покрова.

В заключении характеристики рельефа, свойственного областям распространения "вечной" мерзлоты, следует отметить удивитель­ную геометрическую правильность многих форм мерзлотного релье­фа, не наблюдаемую среди форм рельефа, сформированных други­ми экзогенными процессами (рис. 130, 132, 136, приложение 22).

Рис. 142. Отражение в современном рельефе и почвенно-растительном покрове реликтового полигонального рельефа:

Рис. 141. А. Активный ледяной клин; Б. Псевдоморфоза по ледяному клину; В. Криотурбации в рыхлых грунтах (по Р.Дж. Райсу)

а — на поверхности первой надпоймен­ной террасы р. Протвы; б — на между­речье (аэрофото, северо-восток Калужской области)

Глава 18