Промерзание почвы многолетняя мерзлота

Многолетняя, или вечная мерзлота

В условиях сурового климата с продолжительной и холодной зимой почва периодически замерзает с образованием в ней почвенного льда, заполняющего поры грунта. Глубина промерзания тем больше, чем ниже зимние температуры и чем тоньше зимний снежный покров, защищающий почву or крайнего переохлаждения. В большей части умеренного пояса с положительными среднегодовыми температурами промерзание почвы имеет сезонный характер, оттаивая каждый раз с наступлением теплого летнего сезона. Это явление носит название сезонной мерзлоты.

В областях с отрицательными среднегодовыми температурами ниже зоны сезонной мерзлоты, т. е. в зоне постоянных отрицательных температур горные породы остаются мерзлыми в течение круглого года. О таких горных породах говорят, что они находятся в условиях многолетней, или вечной мерзлоты. Многолетняя мерзлота широко распространена в субполярном и холодно-умеренном климате, особенно в Канаде, на Аляске и в Восточной Сибири. Занимаемая ею площадь составляет «около 25% территории суши. В пределах нашей страны многолетняя мерзлота занимает площадь 10 млн. км2, что составляет 47% всей ее площади. Занимаемая мерзлотой территория оконтуривается с юга линией, начинающейся на западе у г. Архангельска и прослеживающейся далее на восток вдоль 65° с. ш. до долины р. Енисея. Отсюда она резко поворачивает на юг, доходя до гг. Канска и Нижнеудинска; затем она, сильно извиваясь, прослеживается по направлению к г. Иркутску и через южную часть оз. Байкал уходит за пределы государственной границы. В пределы бывш. СССР граница мерзлоты возвращается в районе р. Амура и прослеживается далее на восток по направлению к Охотскому побережью. На обширной площади к северу от этой границы мощность многолетней мерзлоты неодинакова. У южной границы она не превышает 0,4 м, а к северу сильно увеличивается, достигая, по данным М.И. Сумгина, на берегу Северного Ледовитого океана 400 м. Вследствие местных особенностей и географической обстановки в пределах очерченного выше контура наблюдаются участки, где мерзлота отсутствует, также как к югу от указанного контура имеется так называемая островная мерзлота.

Изучением мерзлых зон земной коры занимается специальная отрасль геологии — мерзлотоведение, или геокриология, имеющая большое значение в народном хозяйстве, а. частности для сельского хозяйства.

Строение и особенности многолетней мерзлоты. В районах развития многолетней мерзлоты верхний слой земли зимой промерзает на определенную глубину, а летом оттаивает. Это так называемый деятельный слой. Мощность его зависит от климатических условий, состава пород, характера растительного покрова и ряда других факторов. В южных районах мощность этого слоя достигает 3 л, а в Заполярье не превышает 0,2—0,5 м. В летнее время деятельный слой обычно целиком насыщен водой или содержит воду в своей нижней части над водоупорными, постоянно мерзлыми поводами. Это так называемые надмерзлотные воды. Эти воды залегают над толщей различной мощности собственно многолетней мерзлоты. С глубиной эта толща сменяется горными породами, находящимися вне сферы влияния климатических условий, где уже сказывается влияние внутреннего тепла Земли. Поэтому циркулирующие здесь подземные воды обычно находятся под гидростатическим напором, так как сверху они прикрыты водоупорной толщей многолетней мерзлоты. Эти воды известны под названием подмерзлотных вод.

Воды в жидком состоянии могут также залегать в виде линз внутри зоны многолетней мерзлоты, что связано с неравномерным распределением в ней температур. Участки такого грунта, к которым они приурочены, носят название таликов. Межмерзлотные, а иногда и надмерзлотные воды могут временами приобретать напор. Такое явление обычна наблюдается осенью и зимой, когда идет промерзание деятельного слоя и таликов.

Процессы, связанные с многолетней мерзлотой. В областях развития многолетней мерзлоты возникают своеобразные геодинамические процессы, например: морозное пучение, образование наледей, развитие ледяных бугров, солифлюкция и термокарст.

Морозное пучение возникает в процессе промерзания горных пород и внешне оно выражается в увеличении их объема, возрастающего по мере развития мерзлоты. Такое явление прежде всего вызывается увеличением объема замерзающей воды, содержащейся в порах горных пород. Характерно, что в результате пучения резко увеличивается поток воды к замерзающим породам. Возникновение их связано с током пленочной воды, образующейся в результате уменьшения толщины пленок в зоне промерзания. Установлено, что такого рода миграция воды зависит от количества глинистых частиц в составе породы. Поэтому наиболее податливыми к вспучиванию являются различные глины, суглинки и в меньшей мере пески.

Пучение может быть причиной повреждения сооружений. Особенно сильно страдают от него дороги, которые в результате периодического поднятия и опускания так называемой дорожной одежды приходят в совершенно непригодное для эксплуатации состояние.

Наледи. По мере промерзания в зимнее время деятельного слоя уменьшается сечение талого пространства, в котором циркулируют надмерзлотные грунтовые воды. Так образуются напорные воды. В замерзающих породах время от времени возникают трещины, по которым выбрасываются эти напорные воды. Разливаясь и затем замерзая, они образуют грунтовые наледи — ледяные натечные скопления. Наледи также образуются и при глубоком промерзании рек, в результате которого речная вода выбрасывается на прибрежные участки. Многократные ее излияния ведут к образованию речных наледей, покрывающих часто большие площади, до десятков квадратных километров. Мощность грунтовых и речных наледей изменчива и колеблется от метров до километров. Борьба с наледями сводится к отводу поверхностных вод, перехвату и снижению уровня подземных вод, созданию мерзлотных поясов, а также снегозадержанию и т. д.

Ледяные бугры. Если же при промерзании пород вода не может пробиться на поверхность, то возможно льдообразование в толще грунта; при этом поверхность земли приподнимается в виде бугров. В ядре такого бугра содержится лед. Высота их может достигать 10—30 м. Давление, возникающее при образовании льда, измеряется десятками атмосфер. Поэтому поднимающиеся ледяные бугры могут вызвать значительные разрушения сооружений, расположенных на их поверхности.

Солифлюкция — это явление течения на склонах разжиженной покровной, главным образом припочвенной, части рыхлых отложений. Такое явление возникает в результате разжижения почвы весной в процессе таяния льда, находящегося в почве и в подпочвенном слое. Характерно, что разжиженный грунт даже при небольших уклонах местности, иногда всего лишь в доли градуса, способен растекаться. Солифлюкция широко развита в районах развития мерзлоты, особенно в мерзлых породах северо-востока нашей страны.

Термокарст — это одна из форм псевдокарста, связанная с нарушением сплошности и образованием провалов на земной поверхности в результате таяния погребенного льда. Таяние льда сопровождается возникновением внутри мерзлых грунтов пустот с последующим образованием на поверхности земли воронок различного диаметра и глубины. Затем эти воронки заполняются водой, образуя своеобразные термокарстовые озера.

Все описанные выше мерзлотные явления и процессы, связанные с деятельностью многолетней мерзлоты, оказывают в целом отрицательное влияние на развитие сельского хозяйства, так как приводят в непригодное состояние различные земельные угодья.

Об агрономическом значении сезонноталого слоя. Известно, что в условиях сурового арктического климата с преобладанием низких отрицательных температур микробиологические процессы ослаблены и имеют замедленный характер. Бактерии, разлагающие клетчатку, почти не функционируют. В почвах преобладают анаэробные условия и господствуют восстановительные процессы, Почвы бедны минеральными элементами питания растений и испытывают недостаток азота, фосфора, калия и других элементов. Водоупорный горизонт мерзлых пород преграждает путь движению почвенных растворов, а также — насыщению или отдаче почвами различных солей.

Вследствие низких температур развитие почвенных и биологических процессов запаздывает и происходит не весной, когда это особенно необходимо для растений, а только к осени. В результате таяния осенью мерзлые породы находятся уже на глубине 2—3 м. В связи с этим почвенные горизонты, располагающиеся над мерзлыми породами, находятся в состоянии сильного переувлажнения. Это приводит к заболачиванию и одновременно к сглаживанию процессов оподзоливания и замене их процессами оглеения.

В то же время мерзлые породы являются сильными конденсаторами водяных паров. Так, например, в условиях Сибири с ее резко континентальным климатом и малым количеством выпадающих осадков благодаря конденсации создаются дополнительные запасы влаги в почве.

Таким образом, влияние низких температур на агрономические свойства почвы и ее плодородие является исключительно многообразным и противоречивым. С одной стороны, холод и морозное выветривание способствуют накапливанию влаги в сезонноталом и, в частности, в корнеобитаемом слое. В результате морозного выветривания почвы разрыхляются и поэтому в них увеличивается содержание растворимых минеральных частиц. Все это является положительными факторами, повышающими плодородие почв. С другой стороны, на холодных почвах почти все растения развиваются крайне медленно в связи с трудностью использования ими питательных веществ. Так, например, корни берез, кедра и других древесных растений не углубляются в почву более чем на 30—40 см, а развиваются в стороны на расстояние 10—12 м от главного ствола. В обычных условиях корни картофеля углубляются на глубину 1,0—1,5 м, в то время как на Крайнем Севере — только на 0,70 м. Плохое прогревание почвы в самый важный для растений первый период вегетации (май—июнь) требует повышенного количества питательных веществ в весенний период.

Поэтому одной из неотложных задач земледелия в северных районах бывш. СССР является повышение температуры в почве, усиление в ней окислительных процессов и микробиологической деятельности. Этому должна способствовать своевременная и глубокая вспашка, применение минеральных и органических удобрений, снегозадержание и другие мероприятия.

Представления о происхождении пояса многолетней мерзлоты. По вопросу возникновения пояса многолетней мерзлоты существуют различные точки зрения. Одни исследователи рассматривают многолетнемерзлые породы как наследие холодного ледникового периода. Существует также мнение и о том, что многолетняя мерзлота является результатом современного теплообмена в системе земная кора — атмосфера. Другие же исследователи рассматривают ее как наследие прошлого и как результат климата современного периода. В настоящее время накопилось много доказательств, подтверждающих и в то же время частично опровергающих связь многолетней мерзлоты с древними оледенениями. Так, например, к доказательствам, подтверждающим наличие такой связи, относятся многочисленные находки неразложившихся трупов мамонтов и носорогов в многолетнемерзлых породах, сохранившихся еще со времени далекого ледникового периода. В некоторых рудниках Сибири находят минерал мирабилит (Na2SО4*10H2O). выпадающий из морской воды при температуре -8,2°С. Ныне температура в тех же породах, в которых он был найден, составляет всего -4,2°С. Это подтверждает, что в прошлом здесь существовали более холодные климатические условия.

О том, что в настоящее время наблюдается некоторое потепление климата, можно привести целый ряд доказательств. Так, например, десятилетняя средняя температура зимы с Средней Европе за четверть века возросла на 2,5°С; продолжительность вегетационного периода увеличилась на 2—3 недели.

На высоких широтах произошло резкое сокращение льдов; уменьшились льды в сибирском секторе Арктики, ледники в Гренландии, на Аляске, в Альпах и Норвегии. В Исландии освободились от льда земли, которые распахивались 600 лет назад и погребенные с тех пор под толщей льда и т. д.

По-видимому, с общим потеплением климата связано некоторое уменьшение распространения мерзлых пород, «деградация вечной мерзлоты», или, как говорят, «уменьшение запасов холода». Поэтому, по мнению ученых, значительная часть мерзлых пород возникла не сейчас, а в далеком прошлом; мерзлые породы сохранились еще со времени холодного ледникового периода и в настоящее время He создаются, а лишь поддерживаются современными климатическими условиями.

Ho вместе с тем следует отметить, что распространение зоны отрицательных температур не совпадает с границами древних оледенении. Более того, в настоящее время известно много примеров возникновения мерзлых пород в современную эпоху, прямо на глазах человека. Так, например, для образования мерзлых пород благоприятными являются условия холодной, малоснежной и длинной зимы с короткой весной и осенью, а также наличие высокого давления и сухости воздуха и т. д. Эти данные подчеркивают, что причины образования мерзлых пород в то же время заключаются в особенностях теплообмена на поверхности Земли между атмосферой и литосферой.

В заключение отметим, что зона отрицательных температур земной коры, занимающая громадную площадь на Земле, в частности в пределах нашей страны и имеющая значительную вертикальную мощность, представляет исключительно сложное и многообразное явление. Несомненно, что в ряде районов нашей планеты отрицательные температуры в земной коре существуют многие тысячелетия, являясь наследием сурового ледникового периода; в других же местах они возникают и сохраняются лишь в тех районах, в которых имеются условия для этого в настоящее время.

Источник

Вечная мерзлота

«Вечная мерзлота» (многолетняя криолитозона, многолетняя мерзлота) — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общей площадью 35 млн км². Распространение — север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана. Районы многолетней мерзлоты — верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1 000 метров.

Содержание

Распространённость и изучение

Многолетняя мерзлота (общепринятое название — вечная мерзлота, «многолетней» вечную мерзлоту впервые стала именовать петербургская географическая научная школа) — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116.4 м. Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта. В 40-х годах 19-го века А. Ф. Миддендорф измерил температуру до глубины 116 м. [1] С этого времени вопрос о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не поднимался.

Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в 1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным. Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий [2] . Слово «мерзлота» при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения. По длительности существования мерзлого состояния пород принято подразделять «родовое» понятие «мерзлые породы» на три видовых понятия:

• кратковременномёрзлые породы (часы, сутки),
• сезонномёрзлые породы (месяцы),
• многолетнемёрзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).

Между этими категориями могут быть промежуточные формы и взаимные переходы. Например, сезонномерзлая порода может не протаять в течение лета и просуществовать несколько лет. Такие формы мерзлой породы называются «перелетками» [3]

65% территории России — районы многолетней мерзлоты [4] . Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.

Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачный — с почти отвесными стенками.

Почвы районов многолетней мерзлоты

В почвах, расположенных в зоне длительной сезонной или постоянной мерзлоты, протекает комплекс своеобразных процессов, связанных с влиянием низких температур. Над мёрзлым слоем, который является водоупором, вследствие коагуляции органических веществ может происходить накопление гумуса, так называемая надмерзлотная регенерация гумуса, надмерзлотное оглеение даже при небольшом годовом количестве осадков. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мёрзлого слоя вызван целый ряд механических изменений в почвенном профиле, таких, как криотурбация — перемешивание почвенной массы под влиянием разницы температур, солифлюкция — сползание насыщенной водой почвенной массы со склонов по мёрзлому слою. Эти явления особенно широко распространены в тундровой зоне. С криогенными деформациями связывают характерный для тундр бугристо-западинный рельеф (чередование бугров пучения и термокарстовых западин), а также образование пятнистых тундр.

Под действием мороза происходит криогенное оструктуривание почвы. Отрицательные температуры способствуют переходу продуктов почвообразования в более конденсированные формы, и это резко замедляет их подвижность. Мерзлотной коагуляцией коллоидов обусловлено ожелезнение таёжных почв. С влиянием криогенных явлений некоторые исследователи связывают обогащение кремнекислотой средней части профиля подзолистых почв, рассматривая белесую присыпку как результат мерзлотной дифференциации плазмы и скелета почвы.

Источник