книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

напряжения т* у дневной поверхности описывается выражением

рения грунта; С — модуль сдвига мерзлого грунта; х — расстоя­ ние от свободной вертикальной поверхности до рассматриваемого сечения грунта; grad z (г) — градиент температуры на глубине, в частном случае при линейном изменении температуры на глуби­

не равный ^ (рис. 80).

Зная величины временного сопротивления при сдвиге, из при­ веденного выражения нетрудно определить минимальные расстоя­ ния между параллельными трещинами. Параллельные трещины в зависимости от характера и однородности пород образуют систе­ мы прямоугольников или многоугольников, ориентировка кото­ рых определяется положением ограничивающих поверхностей (на­ пример,, берег реки, тер­ расовый уступ и т.п.), где происходит смена ус­ ловий протаивания и промерзания массива.

Морозобойное растрес­ кивание грунтов на об­ ширных пространствах северных низин дает на­ чало многим криоген­ ным процессам и явле­ ниям сезонного и много­ летнего характера. В частности, заполнение морозобойных трещин минеральной составляю­ щей протаивающих вес­ ной и летом горных по­ род приводит к форми­

рованию систем земляных жил. Заполнение их водой и последу­ ющее ее замерзание вызывает формирование сезонных ледяных жил, образующих соответствующие полигональные системы в деятель­ ном слое и приводящих к возникновению трещинно-полигональ­ ного рельефа. Эти же процессы, как будет показано ниже, обус­ ловливают и формирование повторно-жильных льдов.

Криогенные явления и процессы, участвующие в аккумуляции, протекают под воздействием промерзания и протаивания при об­ щей направленности криогенеза в сторону промерзания. К ним от­ носится формирование многолетних бугров пучения-, инъекцион­ ное и повторно-жильное льдообразование. Роль криогенеза в про­

237

цессах аккумуляции многогранна, однако важнейшее следствие его — накопление значительных масс подземных льдов, во многих случаях превышающих объем минеральной массы горных пород,,

зонных формируются в результате длительного многолетнего про­ цесса промерзания, инъекционного и сегрегационного льдообра­ зования, протекающего в условиях непрерывного поступления воды. Гидростатический напор, вызывающий движение воды к за­ рождающемуся бугру, может быть обусловлен замерзанием воды в замкнутой системе талика, промерзающего сверху и снизу, или сужением живого сечения потока подземных вод, существовав­ шего еще до начала промерзания. В принципе механизм многолет­ него пучения аналогичен сезонному, однако величина бугров, возникающих вследствие многолетнего пучения, бывает значитель­ но больше. В некоторых случаях существенное значение при обра­ зовании бугров пучения приобретает перемещение под давлением разжиженного грунта в ядро бугра с последующим его промерза­ нием, а также накопление сегрегационного льда вследствие мигра­ ции влаги под бугор под действием градиента температуры. Пос­ ледним обусловлено формирование так называемых торфяных бугров, на периферии мерзлой зоны нередко образующих как бы мерзлые островки среди талых пород.

Особенно характерно возникновение многолетних бугров пу­ чения на обсыхающих и промерзающих котловинах термокарсто­ вых озер. Промерзание сверху и снизу водоносного талика под

системы в американской литературе). Разрез крупного булгунняха показан на рис. 81. В местах выхода источников подземных вод с большим напором под воздействием как гидростатического, так и гидродинамического давления формируются многолетние гидролакколиты с мощным ледяным или водно-ледяньтм ядром (пинго, открытые системы). По достижении какой-то предельной величины вершина бугра иногда разрывается, линза льда частич­ но протаивает, на вершине возникает кратерообразное углубление. Часто рост бугра прекращается еще до начала разрыва вершины, и бугры остаются без изменения длительное время.

При полном протаиванпи ядра многолетних бугров пучения сохраняются кольцеобразные валы, окаймляющие просадочную западину. Как остаточные формы криогенного рельефа такие валы встречаются далеко за пределами современного распространения мерзлой зопы. Остатки бугров пучения описаны, например, в Ан­ глии, Бельгии, встречаются на Русской равнине.

И н ъ е к ц и о н н о е л ь д о о б р а з о в а н и е может и не приводить к столь ярко выраженным формам рельефа, какими являются многолетние бугры пучения. Иногда образуются лишь

238

пласты льда, обычно отвечающие напластованию горных пород или простиранию трещиноватых зон и соответствующих им пло­ щадей и полос пучения. Элементы рельефа, сформировавшиеся под воздействием инъекционного льдообразования в период ста­ новления мерзлой зоны, могут быть снивелированы последующи­ ми денудационными процессами.

Ф о р м и р о в а н и е п о в т о р н о - ж и л ь н ы х л ь д ов представляет собой дальнейшее развитие морозобойпого растре-

С к Ц /ч -

Рис. 81. Геологическое строение булгупняха в аласе Хотоиок

вблизи оз. Абалах (по П. А. Соловьеву).

скивания пород при проникновении трещин ниже сезонноталого слоя, заполнении их водой, последующем ее замерзании и синге­ нетическом промерзании аккумулирующихся на поверхности рав­ нин осадков. Многократное замерзание воды в морозобойных тре­ щинах приводит к постепенному росту ледяных клиньев в гори­ зонтальном направлении, а выжимание минеральной части породы из участков между жилами льда в сочетании с аккумуляцией осад­ ков на поверхности низменностей способствует вертикальному росту ледяных жил, проникающих на глубину 40—50 м. Таким образом, формирование повторно-жильных льдов — результат че­ редования процессов промерзания и протаивания при общей тен­ денции территории к промерзанию, способствующему ежегодному увеличению вертикальной мощности ледяных жил при наращива­ нии мощности вмещающих рыхлых отложений.

При эпигенетическом промерзании пород повторно-жильные льды развиваются в меньшем количестве. Глубина проникновения жил льда в толщу мерзлых пород обычно не превышает 5—7 м при ширине жил 2—3 м. Льдистость грунта в блоках между жила­ ми льда обычно невелика. Все это при развитии термокарста обус­ ловливает существенные различия в развитии рельефа эпигенети­ чески и сингенетически промерзавших равнин (см. ниже).

239

Повторно-жильное льдообразование приводит к возникнове­ нию полигонально-валикового рельефа. Над растущими ледяны­ ми жилами возникают валики; полигоны, ограниченные ими, пред­ ставляют собой западины, иногда занятые мелкими озерками. Процесс повторно-жильного льдообразования длительный, но он может приостановиться вследствие прекращения аккумуляции вме­ щающих отложений, уменьшения обводненности местности, повы­ шения зимних температур грунта, развития термокарстовых про­ цессов, рассматриваемых ниже. Прекращение роста ледяных жил вызывает перестройку связанного с ними микрорельефа. Возника­ ют разнообразные модификации трещинно-полигонального рель­ ефа, формирующиеся процессами планации поверхности и процес­ сами, связанными с частичным вытаиванием ледяных жил.

Важнейший фактор, определяющий ход аккумулятивно-дену­ дационных процессов п формирования рельефа равнин на терри­ тории мерзлой зоны,— повторно-жильное льдообразование.

Криогенные явления и процессы, участвующие в денудации, протекают под воздействием сезонного чередования промерзания

ипротаивания или при общей направленности криогенеза в сторо­ ну протаивания. Протаивание, охватывающее деградирующие мер­ злые толщи, начинает развиваться из-за изменения водно-тепло­ вого баланса поверхности того или иного участка в результате естественных или искусственных причин. Они могут быть связа­ ны: непосредственно с циклическим развитием трещинно-жильных льдов, заключающемся в том, что после предельного роста начина­ ется их таяние; с климатическими циклами; с катастрофическими наводнениями или другими явлениями, ведущими к протаиванию

иизменению подстилающей поверхности (пожары, искусственная мелиорация земель или их распашка, строительство дорог и другие инженерные мероприятия без учета теплового баланса поверхно­ сти и прогноза его изменений). Процессы протаивания в региональ­ ном плане приводят к общему понижению абсолютных отметок рельефа. В зависимости от характера рыхлого или дисперсного материала процессы протаивания могут сопровождаться его пере­ распределением в формирующихся понижениях или выносом за пределы этих понижений. По этому второму признаку криогенные процессы, связанные с протаиванием льдов в горных породах, можно подразделить на процессы, сопровождающиеся лишь пере­ распределением материала (термокарст в его наиболее типичном выражении) или сносом материала (термоабразия, термосуффозия

итермоэрозия).

Те р м о к а р с т объединяет многие явления, вызванные из­ менением прочностных свойств, устойчивости и текстуры мерзлых горных пород в связи с таянием содержащихся в них льдов. Формы проявления термокарста определяются разными причинами, в том числе первичным рельефом, генетическим типом и распределением

льдистости в горных породах, величиной изменения теплового и водного баланса подстилающей поверхности и др.

240

Анализ развития термокарста на мощных повторно-жильных льдах дал на примере Центральной Якутии П. А. Соловьев [8], на­ метивший несколько стадий формирования озерной котловины, ее втарения и превращения после частичного усыхания озера в так называемый алас.

В. А. Суходровский считает, что для развития термокарста не­ обходима высокая увлажненность поверхности и подток влаги к протаивающим клиньям льда. Следовательно, процессы термо­ карста могут развиваться в первую очередь в каких-то первичных понижениях поверхности, являющихся местными водосборами. Оптимального развития термокарст достигнет на начальной ста­ дии формирования озера. Водно-тепловой баланс на дне озера бла­ гоприятствует интенсификации таяния повторно-жильных льдов и росту озерной котловины до тех пор, пока скорость осадконакопления на ее дне не будет превышать скорости протаивания. Этому может способствовать полное вытаивание клиньев льда в основа­ нии котловины или значительное снижение вниз по разрезу их мощности и общей льдистости пород. Озерная котловина достигает максимальной глубины, характеризуясь крутыми высокими бор­ тами. В последующем происходит выполаживание бортов озерной котловины, формирование под озером таликовой зоны, а по мере усыхания озера — ее промерзание, вновь сопровождающееся льдо­ образованием с возникновением повторно-жильных и инъекцион­ ных льдов, многолетних бугров пучения. При небольших мощно­ стях и глубинах проникновения клиньев повторно-жильного льда или вследствие спуска воды образующегося озера процессы термо­ карста могут затухать на какой-то более ранней стадии, оставляя лишь неглубокие блюдцеобразные понижения. Такие же пониже­ ния могут возникать при протаивании льдистых пород, не содер­ жащих крупных скоплений подземных льдов. В частности, на Анадырской и Приморской низменностях С. В. Томирдиаро выде­ ляет мелковрезанные повторно-термокарстовые озера низких рав­ нин и глубоковрезанные провально-термокарстовые озера высоких аллювиальных равнин. Первые формируются в условиях частого спуска озерных вод при вертикальной мощности повторно-жиль­ ных льдов примерно 4—5 м, вторые — на высоких аллювиальных террасах при протаивании мощных сингенетических древних пов­ торно-жильных льдов.

Многие формы проявления термокарста способствуют образо­ ванию термокарстовых впадин. Рассмотрим лишь некоторые из них.

1.Рост ледяных жил приводит к возникновению повышений (валиков) над жилами. Между этими повышениями скапливается вода, содействуя протаиванию льдистых пород, заключенных вну­ три ледяной сетки. Образуется полигонально-ячеистый рельеф.

2.Вытаивают преимущественно жильные льды, Рельеф приоб­

ретает полигональный характер с провальными озерами и запади­ нами, вытянутыми в виде сети полос (решетки), наследующих жи­ лы льда.

3. Протаивание ледяных жил приводит к слиянию отдельных впадин между собой, перераспределению (растеканию) минераль­ ной составляющей пород, слагающих промежутки между жилами по дну растущего озера. Формируются крупные озерные впади­ ны — аласы.

4. Протаивание мерзлых пород, содержащих инъекционные п сегрегационные льды или различные типы погребенных льдов, обычно ведет к образованию разрозненных локальных термокар­ стовых воронок, котловин.

В последних трех случаях проявления термокарста отчетливо преобладают процессы денудации. В начальной стадии развития полигонально-ячеистого рельефа процессы аккумуляции (рост клиньев повторно-жильного льда) и денудации (протаивание по­ лигонов) взаимоуравновешены, если нет накопления осадков. Однако дальнейшее развитие этого рельефа, свойственного преиму­ щественно аллювиальным и озерно-флювиальным аккумулятив­ ным равнинам, может привести к активизации термокарста за счет таяния повторно-жильных льдов и его переформированию в аласный термокарстовый рельеф с соответствующим усилением дену­ дационных процессов.

Все перечисленные термокарстовые образования и типы релье­ фа формируются в условиях, не способствующих стоку вод и вы­ носу освобождающегося при протаивании рыхлого материала. Однако для районов развития аласного рельефа типичны останцовые по своему происхождению небольшие бугры, называемые банджерахами. Они представляют собой остатки блоков грунта между ледяными жилами, отпрепарированные при вытаивании последних. Байджерахи возникают также на берегах рек, озер, морей (рис. 82), где обеспечен вынос мелкозема из понижений между буграми. При благоприятных условиях дренажа, возмож­ ности стока вод и выноса рыхлого материала процессы термокар­ ста не приводят к формированию озерных ландшафтов, а способ­ ствуют развитию процессов термоэрозии, образованию долинооб­ разных понижений (аласные долины) и систем стока из соединив­ шихся термокарстовых котловин.

Заканчивая краткое рассмотрение термокарста, нельзя не отме­ тить, что его проявления широко распространены и в перигляциальной области. После полной деградации мерзлых толщ термо­ карстовые и эрозионно-термокарстовые понижения иногда со­ храняются как отрицательные формы рельефа. Это обусловлено выносом твердого материала или уплотнением отложений в их преде­ лах, более значительным, чем вне котловин. Остаточпый трещин­ но-полигональный микрорельеф тоже сохраняется.1* Такие формы известны на Русской равнине. М. Н. Бойцов описывает образова­ ние инверсионных (обращенных) форм, возникающих при интен­ сивном накоплении малольдистых отложений в термокарстовых котловинах. После вытаивания подземных льдов на окружающих участках эти отложения образуют положительные формы рельефа.

242

"1

Рис. 82. Байджерахи, сформировавшиеся па высокой террасе р. Момы.

Фото О. Н. Толстихнна.

Т е р м о с у ф ф ,о з II я в отличие от термокарста развивает­ ся в слабольдистых породах преимущественно песчаного состава и является следствием взаимодействия межмерзлотных вод с мер­ злыми породами. Суть процесса состоит в том, что суффозионный вынос песка водами источников приводит к формированию широ­ ких полостей в мерзлой толще, которые развиваются до тех пор, пока вес мерзлого блока превысит сопротивление пород на сдвиг. После этого происходит обрушение блока, в результате чего на поверхности образуется округлая воронка. Поступающая в нее вода способствует протаиванию обрушенного блока и интенсив­ ному росту воронки. Цепь таких воронок, распространяющаяся в направлении подземного стока, опережает формирование доли­ ны источника, определяет ее направление и г включительно быстрое развитие. Наиболее ярки эти процессы на источнике Улахан-Та- рын в Центральной Якутии. В частности, там они привели к росту

лись более чем в 2 раза. Подобная воронка показана на рис. 83. Т е р м о а б р а з и я и т е р м о э р о з и я — процессы, весьма широко распространенные в мерзлой зоне. Вода морей, рек и озер оказывает на берега не только механическое, но и тепловое воздействие, вызывая протаивание льдов, участвующих в сложе­ нии берегов. В сочетании с транспортирующим воздействием воды

сти тундры, обусловленное процессами термоэрозии,— весьма ин­ тересный факт, имеющий большое практическое значение. В ча­ стности, процессы термо'эрозии, связанные с ветровым воздейст­ вием озерных волн на льдистые породы берегов, представляют большую опасность для гидротехнических сооружений, осложняя конструкции сопряжений плотин с береговыми откосами.

На берегах рек интенсивность термоэрозионных процессов оп­ ределяется, помимо транспортирующей возможности реки (ско­

зали, что процессы термоэрозии протекают по-разному в уступах, сложенных однородными песчаными, суглинистыми или переслаи­ вающими отложениями с включениями инъекционного льда или без таковых. Линзы инъекционного льда или мощные клинья пов­ торно-жильного льда, перекрытые с поверхности слабольдистыми породами, способствовали развитию оползней. Оползневые блоки вместе с росшими на них деревьями соскальзывали, преодолевали в своем движении пляжевую полосу шириной до 5— 7 м и сползали непосредственно в русло реки, где быстро перерабатывались во­ дой. При рассмотрении роли рек в разрушении берегов представля­ ется правомерным наметить три случая. Первый и наиболее часто встречающийся случай, когда река является лишь транспортирую­ щим агентом, тогда как протаивание мерзлых пород берега обус­ ловлено солнечной радиацией и теплообменом с атмосферой. Не­ прерывно сползающий и оплывающий материал относится рекой, протаивающий участок обнажается и тем самым обеспечивается отступание берега реки. Второй случай — непосредственный под­ мыв рекой мерзлых пород берега, обрушение мерзлых блоков, на­ висающих над нишами-промоинами, протаивание и снос твердого материала обрушенных блоков. Это случай активной термоэрозии, когда она протекает наиболее интенсивно, так как ниши растут не только вследствие размыва, но и в результате тепловой осадки оттаявших пород. И, наконец, наблюдаются случаи, когда оба про­ цесса чередуются и активная термоэрозия имеет место только в высокой воде. Следует иметь в виду, что в процессе развития до­ лины интенсивность термоэрозии на различных ее участках может меняться в широких пределах, вплоть до полного прекращения этого процесса. Знание механизма термоэрозии помогает бороться с этим явлением путем изменения направления течения рек, укреп­ ления берегов или иными способами, разработка которых в каж­ дом отдельном случае требует тщательного изучения мерзлотной инженерно-геологической обстановки.

К денудационным процессам следует также отнести широко распространенные на территории мерзлой зоны явления солифлюкции, десерпции и других склоновых процессов. В этих про­ цессах основную роль играет чередование протаивания и промер­ зания в течение годовых циклов.

245