книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК СССР' СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ
ОБЩЕЕ
МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ
Ответственные редакторы
чл.-корр. АН СССР П. И. Мельников, д-р геол.-мин. наук проф. Н. И. Толстихин
Контрольный экземпляр
ИЗДАТЕЛВСТВО «НАУКА» • СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ НОВОСИБИРСК-1974
УДК 551.340
Книга написана на основе фактических материалов, накоплен ных за последние 30 лет, на современном научном уровне к охва тывает многие проблемные и практические вопросы мерзлотоведе ния. Сформулированы основные понятия и определения, дана история развития мерзлотоведения, рассмотрены физические, физи ко-механические процессы и свойства мерзлых и протаивающих горных пород, их строение и географическое распространение. Большое внимание уделено вопросам сезонного промерзания и протаивания, формирования термического режима горных пород, подземным водам, криогенным явлениям и особенностям рельефа территории распространения мерзлой зоны. В заключительных гла
вах рассмотрены некоторые |
вопросы мерзлотных исследований |
и хозяйственной деятельности |
человека в связи с освоением се |
верных и восточных районов, даны прогнозы развития мерзлотове дения как, отрасли знаний.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, участвующих в преобразовании обширных пространств Севера и Сибири, — мерзлотоведов, географов, геологов, гидрогеологов, инженеров-строи- телей и водоснабженцев. Она может быть полезной при подготовке соответствующих курсов в высших учебных заведениях.
Редакционная коллегия: И. Н. Вотяков, Р. С. Кононова,
В. М. Максимов, Г1. II. Мельников, И. А. Некрасов, II. И. Толстихин, О. Н. Толстихин.
Щ'бЛИЧГ.&В |
J |
L |
||
,■*»/>„• - текни |
кая |
|||
|
|
CX-Cf* (Зс.'-лПЛЯР
ЧИТА/1ЬИСГО ЗА Л А
W - Т ш у
20806-1548 |
699-73 |
© Издательство ,,Наука", 1974. |
|
042(01)-74 |
|||
|
Посвящается светлой памяти профессора М ихаила Иванови ча Сумгина — основателя мерз лотоведения
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1940 г. с выходом книги «Общее мерзлотоведение», написан ной М. И. Сумгшшм, С. П. Качурнным, Н. И. Толстиххшым и В. ОС Тумелем, получила права гражданства новая отрасль на уки — мерзлотоведение. Более 30 лет прошло с тех нор. Невидан ными темпами развернулось промышленное освоение северных
ивосточных районов. На карте появились новые города, рудники, трассы дорог, трубопроводов и линий электропередач. Все дальше
идальше на север проникает сельское хозяйство, в том числе и такие отрасли, как овощеводство и хлебопашество. Широкий фронт освоения Севера потребовал стремительного роста мерзло товедения как отрасли знаний и увеличения числа специалистов, хорошо разбирающихся в вопросах новой науки и строительной
практики на мерзлых грунтах. Подготовка таких специалистов в Московском государственном университете и организация спе циальных курсов лекций в ряде других вузов страны потребовали
разработки ровых учебников |
и учебных методических пособий. |
В то же время интенсивное |
строительство на Севере привело |
к накоплению новых фактических материалов, пересмотру от дельных теоретических положений, дальнейшему углублению общей теоретической базы мерзлотоведения. Ставшее библиогра фической редкостью первое издание учебника «Общее мерзлото ведение» требовало большой доработки и дополнения. В 1959 г. под редакцией П. Ф. Швецова были изданы «Основы геокриоло гии», охватившие как общие вопросы мерзлотоведения, так и ин женерное дело. В 1967 г. ведущие ученые МГУ Б. II. Достовалов и В. А. Кудрявцев создали новый курс общего мерзлотоведения применительно к программе специализированной кафедры МГУ. Составленные на современной научной основе эти книги оказа лись слишком сложными для высших учебных заведений обыч ного профиля и не смогли восполнить возникшего пробела. Все это побудило попытаться переиздать первый курс «Общего мерз лотоведения», переработав его в соответствии с новым фактичес ким материалом и теми изменениями в теории, которые претер пело мерзлотоведение за последние 30 лет, применительно к про^
3
граммам подготовки физических географов, геологов-разведчиков, гидрогеологов и инженеров-геологов в университетах и на геолого разведочных факультетах. Эта инициатива была одобрена Советом
по криологии Земли |
АН СССР, активная поддержка |
которого |
во многом способствовала созданию книги. |
что все |
|
Начав составление |
книги, авторы убедились в том, |
разделы придется писать заново, так как объем информации, полученной в мерзлотоведении за время, прошедшее с первого издания, и изменения в представлениях по основным вопросам теории значительны. При этом авторы все-таки считали целесооб разным в первую очередь останавливаться на вопросах, рассмат риваемых в первом издании курса «Общее мерзлотоведение», развивая идеи основоположников этой науки, прежде всего М. И. Сумгина. Этим стремлением продиктована и общая компо новка книги, в которой по возможности сохранен как порядок изложения, так и отдельные формулировки, не потерявшие до сего дня своего значения. Учитывая преемственность содержания, авторский коллектив решил посвятить работу 100-летию со дня рождения основоположника мерзлотоведения М. И. Сумгина.
В настоящей книге глава I написана Н. И. Толстнхиным; II — |С. П. Качуриным|, Н. И. Толстихиным; III — 3. А. Нер сесовой; IV— А. В. Павловым; V —|С. П. Качуриным|, В. М. Мак
симовым и Н. И. Толстихиным; VI — В. Т. |
Балобаевым; |
VII — |
|||||
А. И. Поповым, Н. |
И. Толстихиным и Г. |
Ф. |
Грависом; |
VIII — |
|||
С. С. Вяловым; IX — |
Н. И. |
Толстихиным и О. |
Н. Толстихиным; |
||||
X — П. А. Соловьевым и О. |
Н. Толстихиным; |
XI — |
В. |
II. Да- |
|||
дыкиным; XII —В. М. Максимовым, О. Н. Толстихиным, А. Т. Аки |
|||||||
мовым, В. С. Якуповым, В. Т. Балобаевым; |
X III |
— П. И. |
Мель |
||||
никовым, О. Н. Толстихиным и В. С. Якуповым. |
Авторы |
отдель |
|||||
ных небольших разделов, включенных в некоторые |
главы, ука |
||||||
заны в примечаниях. |
Большая организационная и |
техническая |
работа при подготовке рукописи к изданию выполнена в Институте мерзлотоведения СО АН СССР Л. Д. Ивановой и другими сотрудни ками лаборатории подземных вод мерзлой зоны.
Пользуясь возможностью, авторы выражают искреннюю при знательность рецензентам канд. геол.-мин. наук Н. П. Анисимо вой, канд. физ.-мат. наук И. М. Кутасову, канд. геол.-мин. наук доц. Н. Г. Пашкевич и всем товарищам за полезные советы, ко торые были учтены при подготовке рукописи к печати. Авторы будут признательны читателям за суждения и предложения по книге; их можно направить по адресу: 677010, Якутск, Ин ститут мерзлотоведения.
Г л а в а I
ТЕРМИНОЛОГИЯ. ПРЕДМЕТ. МЕТОД. МЕСТО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ СРЕДИ ДРУГИХ НАУК
Мерзлые почвы и породы. На территории средних и высоких широт обоих полушарий верхние слои литосферы на относитель но долгий срок охлаждаются до отрицательной температуры. Если слагающие их горные породы содержат воду в капельно жидком виде, то, как правило, она замерзает, переходя в твер дую фазу — лед.
Замерзание воды в почвах и породах существенно изменяет их физико-механические, фильтрационные, тепловые, электрические и другие свойства. Сцементированные льдом рыхлые породы обычно становятся более или менее плотными, крепкими.
Почвы, породы, содержащие включения льда, называются мерзлыми; причем отрицательная их температура как бы под разумевается. Почвы, породы, не содержащие в своем составе кристаллов льда, называются талыми; при этом положительная их температура тоже подразумевается.
М. И. Сумгин обратил внимание на то, что в природных ус ловиях при понижении температуры пород и почв ниже нуля на блюдаются более сложные случаи. Во-первых, встречаются по роды, содержащие так мало воды, что при отрицательных темпе ратурах, им свойственных, вода не замерзает. Во-вторых, нередки случаи, когда в увлажненных почвах, породах при отрицатель ных температурах вода сохраняется в переохлажденном состоя нии. В-третьих, существуют породы, насыщенные солеными во дами и рассолами, не замерзающими при тех отрицательных тем пературах, которые в них наблюдаются.
Учитывая все сказанное, М. И. Сумгин [1] предложил клас сификацию почв и пород по их температуре.
Согласно этой классификации, к мерзлым он отнес все по роды, имеющие отрицательную температуру, независимо от со
стояния в них воды. |
Однако в более ранней |
работе 1937 г. с |
|
Н. А. |
Цытовичем [2] |
и в более поздней с Б. |
П. Вейнбергом [3] |
М. И. |
Сумгин писал, |
что мерзлым грунтом или мерзлой почвой |
можно называть такой грунт или такую почву, которые имеют отрицательную температуру и вода в которых полностью или ча-
5
стнчно находится в твердом состоянии, т. о. в виде льда. За истек шие 30 лет со времени опубликования «Общего мерзлотоведения» за термином «мерзлая порода, почва» укоренилось понятие по роды, почвы, содержащей лед и имеющей отрицательную или ну
левую температуру. |
Именно так мерзлые породы понимали |
С. Г. Пархоменко, |
Н. И. Толстихин и др. |
В отличие от мерзлых, породы, имеющие отрицательную тем пературу, но не содержащие льда, стали относить, по П. Ф. Шве цову [4], к морозным. Среди морозных пород, в свою очередь, сле дует различать сухоморозные, не содержащие льда и гравитаци онной воды, п мокроморозные породы с криопэгами, т. е. с соле ными водами илп рассолами, имеющими отрицательную темпера туру.
Продолжительность мерзлого состояния почв и пород. По про должительности существования почвы или горной породы в мерз лом состоянии различаются три типа: кратковремепномерзлые, сезонномерзлые и многолетнемерзлые, или, как их иногда назы
вают, вечномерзлые. |
состояние |
почвы или |
К р а т к о в р е м е н н о м е р з л о е |
||
породы продолжается несколько суток |
илп часов. |
Возникает |
оно при ночных заморозках в высоких, средних широтах и южнее, а иногда наблюдается в горных странах, в тропиках и даже на вы соких горах экваториальной области.
С е з о н н о м е р з л о е состояние почвы, породы продол жается несколько месяцев, появляется с наступлением зимних холодов и полностью прекращается весной или летом. Этот тип промерзания наиболее характерен для средних н высоких широт северного и южного полушарий. Продолжительность сезонного промерзания и протаивания зависит от шпроты, долготы и высоты местности и от других географических и геологических условий.
М н о г о л е т и е м е р з л о е |
( в е ч н о м е р з л о е ) |
со |
стояние породы может длиться |
без перерыва многие годы, |
века, |
тысячелетия. Такое состояние пород встречается на очень боль ших территориях Арктики и Субарктики, в Антарктиде и на ог раниченных площадях горных районов остальной части суши зе много шара, например в Тянь-Шане, на Памире, в Тибете и т. п.
Для удобства изложения многолетнемерзлые породы условимся называть просто м е р з л ы м и. Этот термин прочно вошел в мерзлотоведческую литературу, он наиболее краток и удобен.
Между главными типами промерзания по времени сущест вуют переходные. Между первым и вторым типом отметим про мерзание почв, длящееся не часы, а дни или даже недели. Так, продолжительный осенний заморозок может проморозить почву на некоторую глубину, затем наступает оттепель и мерзлый слой частично оттаивает. Подобные явления широко распространены
всредних широтах северного полушария.
Кпромежуточному между вторым и третьим типом относится
такое промерзаниедочв и горных пород, когда последние оттаивают
G
полностью лишь осенью, причем иногда самые верхние слои почвы начинают снова замерзать от наступивших холодов сле дующей зимы. Случается, что промерзший слой почвы и подсти лающей ее породы за лето и осень оттаивает не полностью и на какой-то глубине от поверхности на зиму остается мерзлый слой, который может находиться в мерзлом состоянии 2—5 лет. Такие слои называют и е р е л е т к а м и мерзлых пород. Нижний пре дел продолжительности существования перелетка — год, верх ний — 2—5 лет и более.
Глубина промерзания литосферы. Кратковременное несисте матическое промерзание охватывает самые верхние слон почвы или горных пород, обнажающихся на поверхности на глубину, из меряемую сантиметрами.
Глубина сезонного промерзания измеряется в средних широ тах сантиметрами и метрами. Сезонное промерзание распростра няется в почву и подстилающие горные породы.
Глубина многолетнего промерзания литосферы — метры, де сятки метров, а на значительных территориях — сотни и даже ты сячи метров и более. Есть данные (см. гл. У и VI) о том, что мак симальная мощность мерзлых пород в северном полушарии в прош лом достигала 2 км. В Антарктиде в настоящее время она должна значительно превышать вышеприведенную цифру, если учесть многокилометровую мощность льдов.
Переходные формы промерзания занимают по своей мощности промежуточное положение. Так, перелетай мерзлых пород мо гут иметь мощность, выражающуюся в сантиметрах и децимет рах, лишь в крайних случаях — в метрах.
Промерзание кратковременное и сезонное распространяется в глубину непосредственно от дневной поверхности почвы, тогда как многолетнее охватывает литосферу с некоторой глубины от дневной поверхности. Но на ледниках Антарктики, Гренландии и других полярных островах, а также на горных ледниках много летнее промерзание начинается с дневной поверхности, ибо лед здесь, как это и должно быть, является горной породой.
Зональность промерзания. Трем типам мерзлого состояния пород соответствуют три зоны распространения мерзлых пород на суше и в пределах шельфа морей Ледовитого океана:
1)зона кратковременномерзлых почв и пород;
2)зона сезонномерзлых почв и пород;
3)зона многолетнемерзлых почв и пород, или, по Н. И. Толстихину, м е р з л а я з о н а, т. е. часть литосферы, характери зующаяся многолетнемерзлым состоянием слагающих ее горных пород.
Первая зона накладывается на вторую и третью, но часть ее развита и вне площади их распространения. Зона вторая на кладывается на третью, но часть находится вне третьей. Третья с наиболее суровыми климатическими условиями характеризуется наложением на нее части второй и первой зоны [4].
7