книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

висит от влагосодержания. Плотные слаботрещиноватые породы быстро меняют свою температуру, протаивают и промерзают. При медленных изменениях климата их тепловое состояние за ко­ роткое время приходит в равновесие с новыми условиями. Они фактически всегда находятся в состоянии стационарного равно» весия с климатом и меняющимися поверхностными условиями. Иначе ведут себя слабо сцементированные сильно увлажненные породы. Они очень медленно промерзают и протаивают. Поэтому их тепловое состояние стабилизируется только за длительный период. Несмотря на медленные изменения климата, подобные породы не успевают приводить свой тепловой режим в соответ­ ствие с меняющимися условиями. Так образуется зона мерзлых пород с нестационарным тепловым режимом, температура и мощ­ ность которой не соответствуют современному климату и условиям теплообмена на поверхности.

Исследованиями последних лет установлено, что мерзлые породы с нестационарным тепловым режимом имеют широкое распространение. Они обнаружены в Западной Сибири, на лево­ бережье Енисея, в Центральной Якутии и приурочены к обла­ стям развития мощных толщ меловых, палеогеновых, неогеновых и четвертичных отложений. Все эти территории характеризуются аномально большой мощностью мерзлой зоны, не соответствующей современной температуре мерзлых горных пород. Тепловой поток в мерзлой зоне в 2—3 раза больше, чем в талой, что со всей оче­ видностью свидетельствует о современном оттаивании мерзлых пород снизу. Например, в Якутии скорость оттаивания мерзлых пород достигает 1—2 см/год.

Существование нестационарного теплового режима мерзлых пород указывает на значительно более суровый климат в неда­ леком прошлом. По-видимому, породы промерзли в период пос­ леднего, Сартанского, похолодания. Оттаивание идет уже около 15—20 тыс. лет и при сохранении существующих условий прод­ лится еще примерно столько же. Все это дает основание говорить о деградации мерзлой зоны в этих районах.

Теория деградации впервые предложена М. И. Сумгиным около 40 лет назад. Анализируя современное потепление климата и учитывая его суровость в последнюю ледниковую эпоху, он считал, что на западе и юге мерзлой зоны повсеместно идет про­ цесс ее деградации. Под деградацией мерзлых пород М. И. Сумгин понимал увеличение запасов тепла в мерзлой зоне не только за счет повышения температуры, но и за счет скрытой теплоты плавления льда. Однако это очень цельное и правильное представ­ ление не было развито ни самим М. И. Сумгиным из-за недостатка сведений в то время, ни последующими исследователями, кото­ рые такими данными располагали.

В качестве основных признаков деградации мерзлых пород приводились следующие:

1) специфичность кривых распределения температуры мерз-

126

2)разобщенность слоя сезонного промерзания и верхней поверхности мерзлой зоны слоем талых пород;

3)широкое развитие процессов термокарста в районах распростра­ нения подземных льдов;

4)потепление климата по срав­ нению с прошлой эпохой.

Современные представления о раз­ витии мерзлой зоны сложились без учета части этих признаков как по­ казателей ее деградации. В частности, это относится к первому признаку.

М. И. Сумгин в качестве одного из основных доказательств деграда­ ции мерзлых пород использовал рас­ пределение температур по глубине в

районе Сковородина (рис. 34). На Рис• 34. Температура горных

распространяющееся в глубину и повышающее температуру мерз­ лых горных пород. Но, во-первых, этот вывод справедлив только для одномерного температурного поля. В неодномерном темпе­ ратурном поле минимум температуры не обязательно связан с поверхностью, он может располагаться на разных глубинах. Распределение температуры, представленное на рис. 34, может быть стационарным, например, если небольшой участок, на кото­ ром получена такая температурная кривая, имеет температуру поверхности более высокую, чем окружающие его участки. Под влиянием бокового охлаждения со стороны этих участков минимум температуры должен сместиться на глубину вне зависимости от каких-либо изменений температуры мерзлых пород во времени.

действительно связано с повышением температуры поверхности, то этого еще недостаточно, чтобы говорить о деградации мерзлых пород. Правильнее говорить о повышении температуры мерзлых пород. Но не все изменения температуры мерзлых пород обя­

127

зательно связаны с изменениями мощности и переходом пород из мерзлого состояния в талое. Мы уже говорили, что периодиче­ ские температуры поверхности могут распространяться только до определенной глубины. Если она меньше мощности мерзлых пород, а колебания не выходят из области отрицательных темпе­ ратур, то никаких процессов оттаивания или промерзания наб­ людаться не будет.

Под деградацией мерзлых пород следует понимать такое изме­ нение теплового состояния мерзлых пород, которое сопровож­ дается уменьшением их мощности, площади, изменением физико­ механических свойств и конфигурации мерзлой зоны.

Температура мерзлых пород может меняться вне зависимости от остальных параметров, но изменение их мощности всегда со­ провождается температурными изменениями. Уменьшение мощ­ ности мерзлых пород происходит с поглощением тепла на границе раздела с талыми породами. Значит, главным условием и призна­ ком деградации мерзлых пород является скачкообразное умень­ шение теплового потока при его переходе из талых пород в мерз­ лые (<7т ]> <7м). Скорость деградации — это скорость оттаивания мерзлых пород, при которой

Таким образом, деградация мерзлых пород характеризуется комп­ лексом физических величин, которые можно измерить в любом месте п в любое время. Методы их измерения разработаны.

По результатам измерении в Сковородные нельзя вынести никакого кон­ кретного заключения об изменении мощности мерзлых пород. Данные позд­ нейших наблюдений подтверждают потепление мерзлых пород и распростра­ нение его в глубину. Но, не зная действительной мощности мерзлых пород, трудно судить о реакции нижней грани цл на это потепление. Это может быть волна потепления колебательного характера с малым периодом в 35—40 лет, как предположил Н. П. Капторев. Тогда глубипа ее проникновения будет равна 60—70 м. А так как, судя по температурам, мощность мерзлых пород в Сковородине должна быть не менее 100 м, то нижняя граница на такие ко­ лебания не будет реагировать. Приведенная М. И. Сумгиным ориентировоч­ ная граница мерзлых пород на глубине 50 м малореальна. Действительно, ниже 30 м средний градиент температуры оказывается равным 5,3° С на 100 м. Это его значение больше, чем ожидаемая величина градиента в талых поро­ дах. Но тогда мощность мерзлых пород, несмотря на потепление, должна увеличиваться, что маловероятно.

Современная деградация нестационарных толщ мерзлых пород

вотмеченных районах вызвана очень медленным потеплением климата за последние 15—20 тыс. лет. И хотя ее скорость значи­ тельна (1—2 см/год), она никак не проявляется в температурном режиме мерзлых пород. Последний полностью соответствует стационарному режиму, что хорошо видно на рис. 35, где пред­ ставлена кривая температур в Намской скважине, расположенной

взоне развития нестационарных мерзлых пород. Там же хорошо

128

видна разница в градиентах температуры в талой и мерзлой зонах, которые пропор­ циональны соответствующим тепловым потокам.

Сравнение градиентов температуры в мерзлой и талой зонах во многих слу­ чаях дает возможность судить об их ди­ намике.

процессы новообразования и роста мощности мерзлых пород. По имеющимся сведениям, мощные толщи мерзлых пород, сформирован­ ные несколько десятков тысяч лет назад, в настоящее время дегра­ дируют на Северо-Востоке СССР и в Восточной Сибири. На юге области развития мерзлых пород, где они имеют малую мощность и подвержены влиянию современных колебаний климата, могут идти как процессы деградации, так п процессы аградации (ново­ образование и рост мощности мерзлых пород). Наиболее сложная картина наблюдается в Западной Сибири, где древние мощные толщи мерзлых пород глубоко протаяли сверху и находятся в деградационном состоянии, а с поверхности образовалась новая зона мерзлых пород, которая, несомненно, растет и будет расти, пока полностью не оттают древние мерзлые породы или пока эти толщи не соединятся.

Это наиболее крупномасштабные процессы преобразования мерзлых пород, захватывающие большие территории и имеющие значительную продолжительность. Мелкомасштабные процессы деградации мерзлых пород под меняющимися руслами рек, но­ выми озерами, водохранилищами, на шельфе северных морей и т. д., а также их аградация под высыхающими озерами и ре­ ками, на новых островах рек и морей и т. д — явления, широко распространенные и присущие локальным участкам всей тер­ ритории развития мерзлой зоны, хотя их длительность ограни­ чена относительно небольшими промежутками времени. Причиной развития большинства из этих процессов является изменение условий на поверхности, а не изменение климата.

Вместе с тем не нужно забывать о широком распространении стационарных мерзлых пород, параметры которых полностью соответствуют современному климату, а региональные законо­ мерности развития не менее сложны.

Рассмотренные случаи изменения мощности и теплового режи­ ма мерзлых горных пород обусловлены естественной динамикой природных условий. Одновременно можно видеть, что анализа температурного разреза в какой-то отдельно взятой точке еще недостаточно, чтобы сделать заключение об общем ходе развития теплового режима мерзлой зоны того или иного региона.

Выше говорилось, что характер температурного поля во мно­ гом определяется геологическими условиями, поэтому необхо­

и для расшифровки характера температурного поля, и для обна­ ружения прямых признаков деградации мерзлых пород, таких, как усиление их трещиноватости, изменение текстуры, течение грунтов, наличие земляных жил и других, объединяемых общим определением — посткриогенные явления.

Очень часто свидетельства о деградации мерзлой зоны могут

случае является широкое развитие термокарста, особенно тогда,

ме.плотных вод медленно растет вниз, а затем обнаруживает рез­ кое увеличение. Этот скачок минерализации указывает на поло­ жение нижней границы мерзлой зоны в прошлом и на глубину промерзания и оттаивания бассейна снизу. Метод этот, как и все другие, нуждается в дальнейшей разработке.

Районы деградации *. До сих пор рассматривались некоторые теоретические вопросы о деградации мерзлой зоны. Теперь ука­ жем, где в природных условиях деградация мерзлой зоны обна­ ружена. Следует прежде всего различать: 1) локальные проявле­ ния деградации, обусловленные сугубо местными причинами; 2) региональные проявления деградации, отмечающиеся на боль= ших территориях; 3) глобальные — на суше всего земного шара.

Локальные, местные, проявления деградации распространены весьма широко. Это разнообразные явления термокарста, от­ ступание верхней и подъем нижней поверхности мерзлой зоны

* Разделы «Районы деградации», «Последствия деградации мерзлой зоны и роль человека» написаны Н. И. Толстихиным.

130

под реками и озерами, в том числе образование чаш протаивашш под сооружениями.

Региональные проявления деградации охватывают крупные территории и отражают изменение теплового баланса под влия­ нием общих региональных причин, рассмотренных выше. Так, в районе г. Мезени в 1837 г. А. Шренком была отмечена мерзлая зона, а в 1933 г. экспедиция Комиссии по изучению вечной мерз­ лоты ее не обнаружила. По всей периферии области распростра­ нения мерзлых пород как в европейской, так и в азиатской части

СССР отмечается широкое распространение глубокого залегания верхней поверхности мерзлой зоны. Особенно глубоко и на боль­ ших площадях, как указывалось в главе V, залегает мерзлая зона в Западной Сибири (данные А. А. Земцова, Г. Б. Острого, А. Ф. Черкашина, В. В. Баулина, Л. Г. Учителевой и др.). Кровля мерзлой зоны вскрыта здесь на глубине 47—228 м. Отмечены случаи глубокого ее залегания на Норско-Селемджинском водо­ разделе на Дальнем Востоке.

Глобальные проявления деградации зоны мерзлых пород ох­ ватили все северное и южное полушария. На Русской равнине древние посткриогенные явления и образования встречаются на огромной территории от лессовых пород юга до бореальных отложений на севере (Ю. М. Васильев; см. также рис. 76 в гл. X); в Азии, по данным А. А. Величко и других исследователей, дег­ радация охватила всю Западно-Сибирскую низменность до широты г. Челябинска и южнее.

Как показали палеокриологические исследования, мощность мерзлой зоны 10—15 тыс. лет назад была значительно большей, а площадь, занятая ею, колоссальной. Отступание к современным своим границам происходило в чрезвычайно короткие сроки. Одновременно с сокращением площади подземного оледенения уменьшается мощность мерзлой зоны. В одних районах, например, Западной Сибири вытаивание мерзлой зоны на юге области ее рас­ пространения идет сверху и снизу, в других — только снизу. Так, по гидрохимическим данным, мощность мерзлой зоны Якут­

в несколько раз. Хотя мерзлая зона к югу от современной южной ее границы отсутствует, многочисленные ископаемые следы крио­ генных явлений, основные типы реликтового криогенного микро­ рельефа сохранились и свидетельствуют о широком ее распрост­ ранении в прошлом и полной деградации на этих территориях в настоящем. Можно говорить о глобальной деградации мерзлой зоны в северном полушарии. Вместе с тем видно, что в разных районах Евразии процесс деградации развивался по-разному и носил региональный характер. По данным зарубежных иссле­ дований, деградация мерзлой зоны отмечается и в Северной Аме­ рике — на Аляске и в Канаде. По Гопкину, в районе Нома глу­ бокое протаивание мерзлой зоны имело место около 10 тыс. лет

назад. Об общем потеплении климата в Северной Америке в сов­ ременную эпоху сообщает Д. Тэдроу.

По В. Н. Саксу и Н. И. Лапиной, на основании исследований колонок грунта, полученных со дна моря из Центральной Арктики, геологическая история Северного Ледовитого океана восстанов­ лена за последние 180—200 лет. Она охватывает конец средне­ четвертичной и всю позднечетвертичную эпоху. В течение всего этого времени донные отложения Северного Ледовитого океана формировались в условиях неоднократной смены холодных и теп­ лых периодов. По данным В. Д. Дибнера, отмечается заметное сокращение оледенения Новой Земли, Северной Земли и остро­ вов де Лонга.

Исследования Четвертой морской антарктической экспедиции (по В. X. Буйницкому) свидетельствуют о продолжающемся со­ кращении площади и уменьшении мощности льдов Антарктиды. При этом А. Ф. Трещниковым получены непосредственные данные об отступании ледникового покрова Антарктиды в XX в. Выпол­ ненный В. X. Буйницким расчет баланса вещества в ледниковом щите Антарктиды показал, что его расход превышает приход. Все это привело к повышению уровня Мирового океана с 1897 по 1946 г. в среднем на 1,2 мм/год.

Итак, отмечается глобальное потепление климата северного полушария и Антарктиды. Сокращение площади и мощности

лось, что температурные кривые, отдельно взятые, не позволяют судить об аградации или деградации мерзлой зоны.

Региональная деградация не исключает того, что в отдельных пунктах при благоприятных условиях мерзлая зона может вновь возникнуть как в самом процессе деградации, так и после его завершения и стабилизации температурного режима. Таким образом, на одной и той же территории мерзлая зона одновре­ менно и деградирует и возникает вновь, и утверждать, что в наше время деградации нет и не может быть в той местности, где обра­ зуется мерзлая зона, значит, недопонимать явление деградации. Выше приводился пример по Западной Сибири, где промерзание пород и образование мерзлой зоны с поверхности сочетается с деградацией реликтовой мерзлой зоны, залегающей на больших глубинах. Можно привести еще пример, относящийся к дельте р. Печоры, где отмечались места с глубоким залеганием мерзлой зоны, и в то же время на островах дельты (Зеленые Муры) най­ дены новообразования мерзлой зоны, существующие всего десятки лет. Такие же случаи наблюдались и в районе р. Воркуты, правого притока р; Усы, впадающей в Печору. Можно привести много дру­ гих примеров, подтверждающих сказанное.

132

Последствия деградации мерзлой зоны и роль человека. Уже из самого определения понятия деградации зоны мерзлых пород вытекает, что с этим явлением связано увеличение запасов тепла в земной коре и, следовательно, повышение ее температуры. Деградация способствует уменьшению мощности мерзлой зоны, вызывая понижение верхней и повышение нижней ее поверх­ ности. Это, как уже отмечалось, ведет к отрыву мерзлой зоны от слоя зимнего промерзания, образованию островной мерзлой зоны н полному ее уничтожению.

Однако с деградацией связано не только изменение распрост­ ранения и свойств мерзлых пород. Она не существует изолирован­ но, а теснейшим образом связана с общим комплексом природных условии. Так, при деградации облегчается движение подземных вод, улучшаются условия дренажа, в общем случае возрастает мощность зоны аэрации, интенсифицируются и денудационные процессы, корни растений получают возможность проникать на большую глубину в почву, происходит перестройка раститель­ ных сообществ, их приспособление к новым условиям. Наконец, и с практической стороны при инженерном освоении местности далеко не безразлично знать, деградируется или, наоборот, уси­ ливается многолетнее промерзание на площадке, где возводится крупное сооружение. Если оно возводится по принципу сохра­ нения мерзлого состояния пород в основании фундамента, то нуж­ но принимать меры к задержке деградации мерзлой зоны, а если сооружение строится по принципу уничтожения мерзлой зоны под фундаментом, то, наоборот, деградацию следует ускорить.

Поскольку деградация мерзлой зоны — результат изменения теплового баланса поверхности почвы, человек может существенно влиять на ее ход. С его приходом в ранее не заселенные местности: в степь, в лес, в тундру — меняется лик земли. Человек распа­ хивает земли, разводит скот, рубит леса, строит фабрики и за­ воды. Под влиянием деятельности человека изменяется тепловой режим верхних слоев почвы. Управляя снежным, растительным и почвенным покровом, человек может усилить или ослабить вековое промерзание. Этот вопрос еще слабо разработан, но уже сейчас искусственные способы, обеспечивающие понижение температуры мерзлых пород или, наоборот, их протаивание, широко используются в инженерной практике, строительном и

горном деле.

В наше время, время все более расширяющегося хозяйствен­ ного освоения территории мерзлой зоны, человек начинает активно и в больших масштабах изменять природу. Преобразовательная деятельность человека в первую очередь касается поверхностных условий и климата, формирующих температуру мерзлых пород. Изучение естественного хода развития мерзлой зоны представляет нам базу для составления научного прогноза влияния преобра­ зующей деятельности человека на природу обширной территории Сибири и Северо-Востока СССР.

133

Г л а в а VII

ПОДЗЕМНЫЕ ЛЬДЫ, КРИОГЕННОЕ СТРОЕНИЕ И МЕРЗЛОТНО-ФАЦИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Специфической особенностью мерзлой зоны являются подзем­ ные льды. Подземными льдами называются льды, находящиеся в земной коре. Они могут залегать в виде более или менее обо­ собленных тел — это своеобразные мономинеральные горные по­ роды. Подземные льды могут составлять льдистую часть мерзлых горных пород в качестве породообразующих минералов и льдацемента.

ПОДЗЕМНЫЕ ЛЬДЫ

Лед — основной генетический признак мерзлой горной по­ роды, мерзлой зоны. По длительности существования льды бы­ вают кратковременными, сезонными в деятельном слое и много­ летними, когда входят в состав мерзлой зоны.

Классификация подземных льдов. Было предложено много различных классификаций подземных льдов [1, 2, 3]. Обстоя­ тельное описание мерзлых пород, их структурных и текстурных особенностей, связанных с льдообразованием, приводится в ра­ ботах А. И. Попова [2, 4], Б. Н. Достовалова и В. А. Кудрявцева

[51 и др.

Ниже предлагается наиболее простая классификация генети­ ческих типов подземных льдов с краткой характеристикой послед­ них (табл. 21). Эта схема является дальнейшим развитием клас­ сификации подземных льдов, предложенной М. И. Сумгиным [6].

Из схемы видно, что подземные льды делятся на две большие группы: льды, формирующиеся в земной коре, имеющие наиболее важное значение, и льды, образовавшиеся на поверхности Земли, а затем погребенные. Среди льдов обеих групп выделены основные подгруппы. Отсылая читателя к классификациям льдов и их под­ робному описанию в соответствующей литературе, здесь приве­ дем лишь краткую характеристику выделенных подгрупп *.

* См. также раздел «Криогенное строение и мерзлотно-фациальный ана­ лиз мерзлых горных пород» в этой главе.

135