книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

Поверхность, с которой начинается на той или иной глубине

а породы имеют положительные температуры или содержат крио-

зующиеся при пересечении верхней и нижней поверхностей мерз­ лой зоны вертикальной плоскостью (разрезом), называются в е р х - н е й и н и ж н е й г р а н и ц а м и мерзлой зоны.

В каждом данном пункте расстояние по вертикали между верхней и нижней границами или поверхностями мерзлой зоны называется м о щ н о с т ь ю мерзлой зоны. Мощность мерзлой зоны принято выражать в метрах.

Если мерзлые породы ограничены талыми не только сверху и снизу, но и со всех сторон по периферии, принято говорить о массиве мерзлых пород или массиве мерзлой зоны.

Обычно у поверхности земли находится слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Он называется д е я т е л ь ­

туру. Деятельный слой при промерзании не соединяется с мерзлой зоной. Между его нижней поверхностью и поверхностью мерз­ лой зоны сохраняются талые породы **. Тогда его называют

сл п в а ю щ е й с я . Далее в тексте использован преимущественно термин «деятельный слой», но, когда это необходимо, употребля­ ются понятия «слой сезонного промерзания» и «слой сезонного протаивания». Если деятельный слой не каждый год соединяется

смерзлой зоной, то мы имеем промежуточный случай между сли­ вающейся и несливающейся мерзлой зоной. Однако и при сли­ вающейся мерзлой зоне зимнее промерзание и летнее оттаивание пород в отдельные годы также бывают по мощности различными.

П о д м о щ н о с т ь ю д е я т е л ь н о г о с л о я ( слоя сезонного протаивания или промерзания) понимается наиболь­

* Существуют и другие определения деятельного слоя, однако в этой работе он рассматривается именно как слой сезонного промерзания и про­ таивания.

** Сезонномерзлый слой может образовываться и ‘ пределами терри­ тории распространения мерзлой зоны.

8

минимально, такой слой в летний сезон не достигает полной мощ­ ности деятельного слоя. Нижняя его часть остается в мерзлом со­ стоянии. Между тем поверхность мерзлой зоны залегает глубже, чем поверхность оттаивания пород за этот год. В этом случае образуется (по В. К. Яновскому) переходный слой, который от­ таивает не каждый год (рис. 1, а).

При несливающейся мерзлой зоне (см. рис. 1, б) слой зимнего промерзания в разные годы имеет различную мощность и ежегодно оттаивает. Правда, иногда возникают перелетай мерзлых пород. Под мощностью деятельного слоя в этом случае понимается мощ­ ность слоя наибольшего промерза­ ния за ряд лет при условии его от­ таивания в лето, следующее за сезоном промерзания.

Мерзлую зону следует отличать от пояса многолетних отрицатель­ ных температур земной коры. Пос­ ледний охватывает часть литосфе­ ры, характеризующуюся устойчи­ выми отрицательными температу­ рами горных пород, независимо

пояса отрицательных температур, если под мерзлой зоной рас­ полагаются криопэги. В последнем случае мощность пояса от­ рицательных температур нередко превышает мощность мерзлой зоны на десятки и сотни метров. Следовательно, к поясу отрица­ тельных температур относятся зоны мерзлых и «мокроморозных» пород. «Сухоморозные» породы входят в состав мерзлой зоны, обычно образуя верхнюю часть ее разреза.

Пояс отрицательных температур отвечает понятию « в е ч н а я

9

в своем распространении мерзлыми. Такие участки получили название т а л и к о в. Подробнее они рассматриваются в гл. V.

Предмет мерзлотоведения как науки и ее содержание. До пер­ вого десятилетия XX в. о вечной мерзлоте имелись только отдель­ ные разрозненные факты. Первые попытки обобщения накоплен­ ных материалов были предприняты накануне Великой Октябрь­ ской революции А. В. Львовым [5] и позднее — в 1927 г. — М. И. Сумгиным [6]. Можно считать поэтому, что учение о вечной мерзлоте зародилось в начале XX в. Однако названия этой науки тогда еще не существовало. Термин «мерзлотоведение» был пред­ ложен в 1936 г. С. Г. Пархоменко. В его понимании мерзлотове­ дение — это учение о криофильных горных породах, содержащих лед.

М. И. Сумгнн [1] определил мерзлотоведение как учение о «вечной мерзлоте и мерзлых грунтах». Более правильное опре­ деление мерзлотоведения (геокриологии) было дано П. Ф. Шве­ цовым [4, стр. 18]: «...многие, особенно в последние 15—18 лет, мерзлотоведением называют по существу учение о той части крпосферы, которая располагается в твердой оболочке планеты — земной коре». Однако это определение в мерзлотоведении не было принято. В 1955 г. П. А. Шуйский [9], а в 1967 г. В. А. Кудрявцев н Б. Н. Достовалов дали близкое определение мерзлотоведения как науки, имеющей «предметом своего изучения мерзлые горные породы», наметив и содержание «общего мерзлотоведения»— изу­ чение происхождения, состава, свойств, строения, сложения и распространения мерзлых пород «в связи с происходящими в них геологическими, геохимическими и биологическими процес­ сами» [7, стр. 5).

Учение о льдистых горных породах и мерзлотных явлениях как отрасли мерзлотоведения развивается А. И. Поповым [8] под названием к р п о л и т о л о г и я и Е. М. Катасоновым, как мерзлотно-фациальный анализ.

В 1966 г. Н. И. Толстихин предложил предметом мерзлото­ ведения — к р и о л о г и и — считать криосферу Земли и пла­ нет, иначе крносферу Вселенной. Это предложение пока не во­ шло в жизнь.

Из сказанного видно, что до сих пор нет единого и точного определения предмета мерзлотоведения и содержания этой науки. Этот вопрос остается дискуссионным. Чтобы подойти к его решению, следует рассмотреть вначале понятие о криосфере.

П о н я т и е о к р н о с ф е р е . Учитывая современное со­ стояние науки и техники в целом, проникновение человека в кос­ мос, выход его на Луну, необходимо поставить вопрос об объеди­ нении усилий многих ученых, изучающих оболочку мороза, хо­ лода и льда Земли, планет и космоса — криосферу. Идея о холод­ ной мерзлой оболочке Земли впервые была высказана М. В. Ло­ моносовым (см. далее). Термин «криосфера» и его определение были предложены А. Б. Добровольским в 1923 г. «Лед образует...

10

на земном шаре постоянную оболочку — криосферу. Эта оболочка находится в тесных связях своеобразных и определенных с лито­ сферой, гидросферой и атмосферой. У нее есть свой верхний и свой нижний пределы, причем последний очень высоко поднимается вверх в жаркой зоне, постепенно опускаясь по направлению к холодным зонам (где он частично проникает в глубь Земли), и, вообще говоря, является переменным в зависимости от времени года» [см. 3]. В дальнейшем учение о крпосфере развивал В. И. Вернадский.

О криосфере писал п М. И. Сумгин [1, стр. 6]. «Некоторые ученые (Добровольский, Колосков) предлагают объединить в одно общее понятие криосферы всякую материю по признаку отрица­ тельной температуры — горные породы (в том числе лед глетче­ ров), воду, в особенности морскую, н воздух (в частности, воздух больших высот)— подобно тому, как введены понятия литосферы, гидросферы и биосферы. Несомненно, предложение это весьма заманчиво; криосфера — мир отрицательных температур — явится при таком обобщении чем-то единым для всего земного шара; при этом обобщающем признаком является отрицательная тем­ пература различных видов материи — твердой, жидкой и газо­ образной...». Высказав эту чрезвычайно важную мысль, М. И. Сум­ гин не дал ей дальнейшего развития, хотя писал в 1937 г., что «даже в ближайшие годы от вечной мерзлоты мы перейдем к мер­ злотоведению, а затем и к криосфере, как понимают ее Добро­ вольский п Колосков». Понятие о криосфере как особой мерзлой оболочке Земли, характеризующейся отрицательной температурой и содержащей лед, во второй четверти XX столетия вошло в науч­ ную литературу. О криосфере пишут П. А. Шуйский [9], П. Ф. Шве­ цов [4], И. Я. Баранов [10, 11], Б. Н. Достовалов и В. А. Куд­ рявцев [7] и др.

Из работ вышеназванных ученых следует, что криосфера — это особая подвижная оболочка Земли — сфера мороза и льда, сфера отрицательных температур. Будучи единой, она тем не менее делится на части. Одна ее часть находится в атмосфере, другая — в гидросфере, третья — на поверхности Земли, а четвертая —

вземной коре.

Впоследнее время наличие оболочки мороза и льда начинает выявляться на некоторых планетах солнечной системы, например

на Марсе. Можно говорить, следовательно, о криосфере Земли и планет, т. е. о криосфере Вселенной.

П о н я т и е о к р и о л о г и и * . Поскольку правомерно существование криосферы Вселенной, постольку учение о крио­ сфере можно назвать криологией. Предмет ее исследований — криосфера Вселенной — Земли и планет. Исходя из определения

* Термин «криология» как учение о природном льде был предложен впервые в 1923 г. А. Б. Добровольским. Полезно и возможно расширить со­ держание этого термина.

11

предмета исследований — криосферы, можно установить и со­ держание криологии — всестороннее изучение и характеристика свойств криосферы и законов, управляющих ее развитием. Ос­ новными задачами криологии являются определения формы, раз­ меров, строения, состояния и свойств криосферы, ее режима, раз­ вития как единого целого и отдельных частей.

Основываясь на содержании криологии выделяют криологию Земли и ее оболочек и криологию других планет. Криология планет — наука будущего, мы живем в век зарождения этой науки. Наоборот, криология Земли — наука настоящего, развившаяся за последние полстолетия в самостоятельную область знаний. Она занимается изучением криосферы Земли и ее оболочек и, в свою очередь, подразделяется: 1) на криологию воздушной обо­ лочки Земли — атмосферы; 2) на криологию водной оболочки Земли — гидросферы; 3) на криологию поверхности суши земного шара; 4) на криологию каменной оболочки Земли — литосферы. Последнее и есть собственно мерзлотоведение, или геокриология. Каждая из названных наук имеет свои цели и задачи, вытекающие из особенностей изучаемой части криосферы.

Таким образом, если первоначально предметом исследований мерзлотоведения считали ледяную почву, вечную мерзлоту, мерзлые грунты, вечную мерзлоту почвы, мерзлые горные породы, мерзлую зону литосферы, криолитозону, то теперь предметом исследований мерзлотоведения следует полагать подземную крио­ сферу — криосферу земной коры. Криосфера земной коры подраз­

сферы Земли, развития подземной криосферы во времени и про­ странстве, исследование взаимосвязи криосферы с каменной, водной, воздушной оболочками Земли, с физико-географической обстановкой, в том числе с рельефом, биосферой, включая расти­ тельный покров и микромир подземной криосферы, и хозяйствен­

12

ной деятельностью человека. Цель мерзлотоведения — изучение

ивсесторонняя характеристика криосферы земной коры в целом

иотдельных ее] частей — зон промерзания земной коры (много­ летнего, сезонного, кратковременного), взаимодействия этих зон между собой и с окружающей средой, а также с другими частями криосферы Земли и Вселенной.

Поскольку подземная криосфера развивается в почвах и гор­ ных породах, постольку исследование пород и почв при их про­ мерзании и оттаивании является одной из главнейших задач мер­ злотоведения. Для решения этой теоретической задачи необходимо изучить: а) термодинамические условия развития процессов про­ мерзания и оттаивания; б) физические и физико-химические про­ цессы в замерзающих, мерзлых и протаивающих породах; в) со­ став, строение, состояние и свойства мерзлых горных пород и почв; г) мерзлотные физико-геологические явления и процессы, их обусловливающие.

Практической задачей является управление криосферой в це­ лях рационального строительства в районах ее распространения с учетом специфических особенностей и правильного ведения раз­ личных отраслей народного хозяйства.

Место мерзлотоведения в системе других наук. Мерзлотоведе­ ние находится на стыке ряда наук: 1) геолого-географических, включая геоморфологию, литологию, палеогеографию, гидрогеоло­ гию, инженерную геологию и геофизику; 2) физико-химических, включая физику, механику, термодинамику, теплофизику, химию и физическую химию; 3) технических, строительных, сельскохо­ зяйственных и др.

Методы мерзлотоведения. При изучении подземной криосфе­ ры мерзлотоведение заимствует методы исследований смежных дисциплин, вместе с тем оно разрабатывает и свои собственные. Широко применяются полевые, лабораторные и другие виды ис­ следований. Все эти методы базируются на диалектическом позна­ нии криогенных процессов и явлений в их взаимной зависимости и обусловленности.

грунтов. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1937.

3.В е й н б е р г Б. П. Лед. Свойства, возникновение и исчезновение льда. М., Гостехиздат, 1940.

4.Основы геокриологии. Под ред. П. Ф. Швецова. М., Изд-во АН СССР,

1959.

5. Л ь в о в А. В. Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на западной части Амурской ж. д. в условиях вечной мерзлоты почвы. Иркутск, 1916.

13

Г л а в а II

КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ

В истории развития мерзлотоведения [1—9] можно выделить два периода и несколько этапов.

ДОРЕВОЛЮЦИОННЫЙ ПЕРИОД

Предыстория (XVI — первая половина XVIII в.). Местным жителям Арктики и Субарктики, а также Восточной Сибири су­ ществование мерзлых пород несомненно было известно. Им при­ ходилось сталкиваться с мерзлыми породами при постройке своих жилищ, на охоте и рыбной ловле, при хранении добычи.

В литературе первые сведения о мерзлых породах стали появ­ ляться, ио-видимому, лишь с XVI в. В это время усилились поис­ ки русскими северного морского пути из России в Китай, Ин­ дию, и путешествия в северные страны стали более частыми. В 1598 г. составлено «Описание чего ради невозможно от Архан­ гельского города морем проходити в Китайское государство и отто­ ле к Восточной Индии», в котором сказано, что на северо-востоке Новой Земли в середине июня «на берегах снег еще не таял и оле­ ни не могли себе пищу приобрести. Вина же такой стужи есть се запе солнце в большие дни над оризон точию 33 градуса и 40 минутов восходит и лучи своя сквозь к земли оной низпускает, того рода силы не имеет, еже бы снег и лды разтаяти и мрач­ ные мглы разнати, it для того на тех землях никаких древес, ни лесов, ни человеков не обретается, но токмо великие и высокие снежные лдяные горы».

Из этого видно, что уже в XVI в. имелись отчетливые и даже научные представления о причинах существования многолетних льдов в Арктике. В том же веке сведения о мерзлых породах Се­ верной Америки были получены от Фробишера.

В XVII в. в связи с продвижением русских на восток и север Сибири в Москву стали поступать сведения о мерзлых породах севера Сибири. Так, якутские воеводы П. Головин и М. Глебов сообщали в Москву: «А в Якуцком-де, государь, по сказкам тор­ говых и промышленных служилых людей, хлебной пашни не

раньше ничего не было слышно».

15

В 1685—1686 гг. в Якутске по инициативе воеводы Матвея Кровкова был прорыт до глубины 30,5 м колодец, о котором Кровков сообщил в Москву: «А колодезя, великие государи, в Якуцком сделать никоими мерами нельзя, потому что земля летом только тает в полтора аршина, а больше двух аршин земли никогда не тает, а в исподи на дне бывает земля всегда мерзлая» («Допол­ нения к актам историческим, собранным и изданным Архео­ графической комиссией», т. XI, 1869, стр. 200).

Первое обобщение данных о мерзлых породах принадлежит русскому историку и географу начала XVIII в. В. И. Татищеву. В своих трудах он пишет о наличии мерзлых пород и о находках бивней и трупов мамонтов. В это же время о вечной мерзлоте

вбассейне Енисея сообщает Г. Мессершмидт. Участник великих северных экспедиций в Сибири Г. Гмелин отметил, что в Якутске почва оттаивает на глубину 1,2 м. Он же писал о существовании

вСибири «непреходящего почвенного льда».

Вторая половина XVIII — первая половина XIX в. Это было время накопления фактов и первых научных обобщений М. В. Ло­ моносова о «замерзлой земле».

В 1757 г. М. В. Ломоносов* высказывает ряд интересных положений о природе образования «замерзлой земли», о значении рельефа и суровых климатических условий в развитии толщ мерзлых пород и создании запасов холода и подземных льдов, о длительности этого процесса, о необходимости учитывать стро­ ение «внутренности» Земли для понимания распределения тепла и холода в земных недрах. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой, между внешним и внут­ ренним теплом, летним теплом и зимним холодом как об основном факторе, определяющем тепловое состояние верхних слоев литосферы, о значении теплового потока, идущего из недр земли, для уничтожения мерзлой зоны, о длительности этого процесса.

В указанном труде М. В. Ломоносов ставит вопрос о том, «сколько же времени потребуется к растаянию своему во внутрен­ ностях земных такое льду количество, которое несколько миллио­ нов кубических сажен в себе содержит? Веки истинно многие миновать должны, пока избыток своей стужи сообщит касаю­ щемуся до себя земному недру, придет с ним в равновесие, и, наконец, растаяв, в воду от подземной теплоты претворится. Коль долгое время требуется к совершению сего труда нату­ ры!» (стр. 172).

Своп представления о мерзлой зоне М. В. Ломоносов выразил так: «...теплота и огонь в недре земном жительствует беспрерывно. И так надлежит посмотреть далее, есть ли там холод и мороз,

* М. В. Л о м о н о с о в . Слово о рождении металлов от трясения земли.— О слоях земных. М.—Л., Госгеолиздат, 1949, стр. 170—173.

46

оным противный. Правда, что обширные сибирские стороны, а особливо к Ледовитому морю лежащие, равно как оные поля пространные, составляющие хребет горы нровысокой, которою Китайское государство от Сибири отделяется, землю в глубину около двух или трех футов во все лето за.мерзлую имеют. И хотя сие приписано быть может больше зимнему холоду, летний жар преодолевающему, что сии места, одно ради близости холодного климата, другое для высокого положения к студеному слою ат­ мосферы поднявшегося, лишаются кроткого небес действия...

подземные! огонь много сильней оной стужи: затем, что она при­ хожая с земной поверхности, и плод холодпого внешнего воз­ духа; огонь, напротив того, как в своем отечество господствует» (там же, стр. 171—172). М. В. Ломоносовым же приводятся ин­ тересные сведения о ледяной Безансонской пещере во Франции. По его мнению, породы Безансонской пещеры проморожены, имеют отрицательные температуры и относятся к многолетнемер­ злым. Следовательно, М. В. Ломоносову принадлежит обоснован­

М. В. Ломоносова получили дальнейшее развитие в XIX в.

Во второй половине XVIII — первой половине XIX в. продол­ жалось накопление фактов по мерзлым породам. Были получены материалы о мерзлых работах в Якутии, Забайкалье и других районах. Тогда же Майдлбтон подтвердил, что в Гудзоновом за­ ливе породы на глубине никогда не оттаивают.

В1799 г. тунгус Шумахер на Быковском полуострове к востоку от устья Лены обнаружил труп мамонта, который был в 1805 г. описан Адамсом.

Впервой половине XIX в. на севере европейской части России мерзлую зону изучал Шренк. На севере Сибири А. Е. Фигурпн в 1820—1823 гг. при исследовании залежей подземных льдов боль­ шую часть из них отнес к трещинным жильным. В 1825 г. в Бере­ зове А. Эрман впервые измерил температуру мерзлых пород в про­ буренной им скважине глубиной 18,2 м. В 1828 г. он же пробурил скважину в Обдорске, в которой на глубине 6,4 м замерена от­ рицательная температура.

В1820—1824 гг. Ф. П. Врангель, Ф. Ф. Матюшкин, И. Козьмин, изучая северо-восток Сибири, много внимая уделили мерзлым породам.

В1828 г. Ф. Шергин, служащий в Русско-Американской ком­ пании, начал проходку «колодца» в Якутске и через 9 лет достиг

глубины 116,4 м. Так была создана знаменитая Шергинская шахта, которая прошла часть толщи мерзлых пород. В апреле 1829 г. А. Эрман определил температуру мерзлых пород в Шергинской шахте на глубине 15,7 м. Она составляла — 6° С.

Большое значение для изучения мерзлых пород имела трех­ летняя экспедиция академика А. Ф. Миддендорфа в 1843—1846 гг. Он измерил температуру мерзлыхр'тюрод в Шергинской)- шахте до глубины 116 м и в ряде других мёст Сибири и установил)' геотер-