Что такое многолетняя мерзлота. Что такое многолетняя (вечная) мерзлота? Условия формирования мерзлоты

Ледники - огромные массы движущегося льда, образованные из выпавшего и накопившегося снега. Когда снежник (большое скопление снега) не успевает растаять за летний период, он уплотняется, кристаллизуется и превращается в лёд.

Ледники, распространённые только в горах, называют горными. Они занимают площадь 1700000 квадратных километров и представляют собой ледяные шапки и длинные ледяные языки. Спускаясь вниз под действием силы тяжести, ледник постепенно тает, давая начало горным рекам. Самые длинные ледники расположены в горных хребтах Аляски (США). Это ледник Беринга длиной 203 километра и ледник Хаббард длиной 112 километров. Наиболее протяжённый ледник в России - Безенги на Кавказе имеет длину 17600 метров.

Покровные ледники

На огромных пространствах Антарктиды, и островах распространено покровное оледенение. Оно занимает 14 400 ООО квадратных километров (более 85 % в , 12 % в Гренландии). Покровные ледники образуют гигантские купола, полностью покрывающие сушу вместе с расположенными на ней горами и равнинами. Они движутся благодаря пластичности нижних слоев льда.

Скорость движения ледников различна и непостоянна. Во внутренних районах покровных ледников она меньше одного миллиметра в сутки, а в краевых частях доходит до нескольких метров в сутки. Горные ледники перемещаются быстрее. Отмечались случаи, когда ледники спускались со склонов со скоростью 150 метров в сутки, всё разрушая на своём пути.

Покровные ледники «сползают», как правило, в моря или океан, от них откалываются айсберги - гигантские глыбы льда, которые, оторвавшись от ледяного купола, «путешествуют» в океане благодаря течениям и ветрам.

Многолетняя мерзлота

Оледенения

В известно несколько ледниковых периодов. Древнейшее оледенение было около 2 1/2 миллиардов лет назад, предпоследнее - 340-240 миллионов лет назад, а последнее началось около 2-3 миллионов лег назад. За последний миллион лет ледники то наступали и занимали значительные территории, то отступали в эпохи межледниковий. Толщина льда в период оледенения местами достигала двух и более километров. Причины оледенений связывают как с космическими, так и с земными процессами. Следы прошлых наступлений ледников широко распространены в Северной Америке и в Евразии.

Первые письменные свидетельства о существовании необычного состояния почвы, позже обозначенного как “вечная мерзлота”, остались от русских землепроходцев XVII века, покорявших Сибирь. Первооткрывателем стал казак Я. Святогоров, а члены экспедиций И. Реброва и С. Дежнёва уже изучили вопрос более детально. В своих депешах ко двору они описали особенность отдельных зон в тайге, в которых даже летом земля сохраняет зимнюю мерзлость. В 1640 г. воеводы М. Глебов и П. Головин в послании русскому царю не скрывали своего искреннего недоумения:

Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает.

Окончательно утвердились в существовании районов «вечной мерзлоты» во время начала промышленного освоения Севера. В 1828 г. проходчик Ф. Шергин прорубил первый метр ледяного грунта в Якутске, за 9 лет достигнув отметки чуть менее 116 с половиной метра и не встретив на пути ни одного водоносного горизонта. А. Миддендорф, измерив температуру на всем протяжении шахты Шеригина, подвел черту под ответ. Таким образом, невероятное стало очевидным фактом географии и геологии страны.

Вечная мерзлота полуострова Ямал на севере Западной Сибири, на территории Ямало-Ненецкого автономного округа России.

Понятие «вечная мерзлота» впервые появилось в научной среде в 1927 году. Автором термина стал советский ученый М.И. Сумгин , один из основателей отечественной науки по изучению этого явления.

Научное определение

Под вечной мерзлотой принято считать криолитозону с температурным режимом от 0°C и ниже и соответственно наличием в ней подземных льдов. По Сумгину это почвенная мерзлота с возрастом от 2 лет и выше, максимальные величины накопления измеряются тысячелетиями.

Какое-то время существовала определенная сумятица в терминологии. Значение слова «мерзлота» не имело четкого определения, что приводило к разночтениям. Такое положение подвергалось справедливой критике и поэтому предлагались другие названия. Были попытки широко распространить наименования «многолетнемёрзлые горные породы», «многолетняя криолитозона». Но в результате прижился термин Сумгина.

Срок, в течение которого образовывается мерзлое состояние пород, подразделяет их на три вида:

• Кратковременно-мёрзлые породы (за часы и сутки),
• Сезонно-мёрзлые породы (за месяцы),
• Многолетние мёрзлые породы (за годы)

К отдельной категории относятся промежуточные или переходящие формы мерзлых пород. Их называют перелетками. Примером может послужить случай, когда сезонно-мерзлая порода не успевает протаять за летний период и сохраняется в течение нескольких лет.

Большая доля современной вечной мерзлоты возникла в результате воздействий последнего ледникового периода. Объемы льда в промерзлых породах могут составлять до 90 процентов. В наши дни наблюдается процесс их медленного таяния.

Особенности мерзлых почв

Низкие температуры в условиях мерзлоты, носящей длительный сезонный или постоянный характер, естественно накладывают свой отпечаток на состояние местной почвы. В ней протекают своеобразные химико-биологические процессы. Один из примеров изображен на фото слева.

Над мёрзлым водоупорным слоем в процессе коагуляции (сгущения) органических веществ накапливается гумус. Причем его над-мерзлотная регенерация или так называемое над-мерзлотное оглеение сильно не зависят от милостей природы. Чтобы процесс пошел, достаточно небольшого количества годовых осадков.

Образуемые в земле шлиры (ледяные слои), разрывая водоносные капилляры, перекрывают доступ влаги из верхних над-мерзлотных горизонтов к нижней корнеобитаемой среде. Все явления, происходящие в почве в условиях вечной мерзлоты, особенно характерны для . В результате происходящих из-за наличия мерзлого слоя механических изменений в почве тундра приобрела свой особенный вид. Криогенные деформации в виде криотурбации (перемешивания под влиянием разницы температур почвенной массы) и солифлюкации (сползание почвенной массы, насыщенной водой, со склонов по мёрзлому слою) придали рельефу тундры волнообразные очертания, когда вспученные бугры чередуются с провалами термокарстовых западин. По той же причине образовались пятнистые тундры.

Минусовые температуры влияют и на оструктурирование почвы, вызывая ее криогенный характер. Они заставляют продукты почвообразования переходить в более конденсированные состояния, при этом резко замедляя их подвижность. В результате мерзлотной коагуляции коллоидов происходит ожелезнение почв. По мнению некоторых исследователей криогенные явления также обогащают кремнекислотой среднюю часть профиля подзолистых почв. Эти ученые считают белесую присыпку результатом мерзлотной дифференциации плазмы почвы.

Ареалы распространения

Вечная мерзлота имеет глобальные масштабы распространения. Она захватила не менее ¼ части суши земли, в том числе высокогорные районы Африки. Австралия является единственным материком, где это явление отсутствует вообще.

Обширные просторы России представляют собой средоточие вечной мерзлоты. Более половины территории самой большой страны мира приходится на криотозону. Наиболее широкое распространение она получила в Забайкалье и Восточной Сибири, где в верхней части реки Вилюй на глубине 1370 метров залегает нижайшая точка вечной мерзлоты. Рекорд зафиксирован в 1982 году.

Экономическое влияние

Учёт вечной мерзлоты важен для проведения строительства, геологоразведки и других хозяйственных работ в районах Севера. Она может, как создавать проблемы, так и приносить пользу. Способность служить естественным природным холодильником для хранения продуктов лежит на поверхности. Кроме этого, в условиях вечной мерзлоты вероятны образования залежей гидратов газов, используемых человеком, в частности метана.

Высокая прочность промёрзших пород сильно затрудняет добычу ископаемых. Но в то же время имеется другая, сильная, сторона: мерзлота цементирует породы, что позволяло в карьерах Якутии успешно проводить разработку кимберлитовых трубок, доводя стенки чаш до отвесного состояния. Ярким свидетельством последнего служит пример якутского карьера Трубка Удачная.

Игарский музей вечной мерзлоты – явление уникальное, и не только потому, что основные его экспозиционные залы находятся в толще вечно мёрзлого грунта, но и потому, что главный экспонат музея – сама вечная мерзлота.

С первых лет строительства города ученые вели её исследования, мерзлотная станция была открыта в 1931 году. Попутно же вынашивалась идея демонстрации населению результатов бережного отношения к природе. Эта идея принадлежала посетившему научную станцию в 1938 году учёному-мерзлотоведу Михаилу Ивановичу Сумгину. К тому времени были вырыты шахтные колодцы и встречные штреки к ним. За год до начала Великой Отечественной войны путём выемки грунта было оборудовано пять камер, отделённых от коридора перегородками и дверьми. Их стены, как и коридор, были облицованы тонким слоем льда. Объём вынутого грунта составил 468 кубических метров.

Построенные помещения имели научно-исследовательское значение, но тем не менее, для желающих, в первую очередь школьников и гостей города, уже тогда проводились сотрудниками станции первые экскурсии. Так одна из камер по сути уже тогда начала использоваться как биомузей. Его экспонатами стали замороженные ящерицы, ерши, находящаяся в анабиозе бабочка бражник, насекомые: шмели, божья коровка и муха. Учёные пополняли биомузей по мере своих возможностей и принимали посетителей.

Как своеобразный научный эксперимент по исследованию возможности сохранения бумаги и в память о Великой Отечественной войне сотрудниками станции 6 апреля 1950 года была произведена закладку газет военного периода – «Правды», «Известий», «Труда» и «Красноярского рабочего» с завещанием вскрыть ящик с замурованными в нём газетами 9 мая 2045 года.

Датой официального открытия музея вечной мерзлоты в Игарке считается 19 марта 1965 года. Первыми экспонатами, кроме выше упомянутых, стали книги по мерзлотоведению и вмороженные в лёд растения. Природа как будто бы шла навстречу энтузиастам, открывая свои многовековые тайны. В одной из стен коридора при проходе обнажились стволы деревьев, их срезы, позволяющие судить о возрасте – более 50 тысяч лет.

И всё-таки это ещё был музей на общественных началах, остальные помещения использовались в качестве научных лабораторий. И учёные продолжали экспериментировать: так родилась пока не воплощённая идея строительства подземного катка, с возможностью его круглогодичного использования спортсменами и любителями.

С 25 октября 1996 года подземные лаборатории Научно-исследовательской мерзлотной станции были приняты в муниципальную собственность. Были проведены масштабные работы по капитальному ремонту подземной части, расширению и созданию новых экспозиционных залов. Безусловно, что основным в краеведческом комплексе «Музей вечной мерзлоты» считается подземная часть музея. Но также интересные экспонаты есть и в отделах природы, истории, 503-ьей стройки, выставочно-экспозиционном зале. В зале природы, к примеру, находящемся перед входом в подземелье, – найденные в окрестностях Игарки кости доисторических животных, в том числе зуб мамонта. А экскурсоводы, рассказывая об особенностях произрастания деревьев, демонстрируют ствол десятилетней ёлочки с горизонтально идущими корнями – так деревья ищут в оттаявшем слое почвы нужную им для роста влагу.

Огромную роль в развитии музея, его популяризации сыграли первый экскурсовод музея Павел Алексеевич Евдокимов, бывший директор музея Мария Вячеславовна Мишечкина и её ныне покойный супруг Александр Игоревич Тощев. К их заслугам принадлежит не только сохранение грунтов от выветривания от соприкосновения с людьми (а это тоже целый комплекс мероприятий), но и открытие и модернизация новых залов, внедрение музейных традиций, широкая издательская деятельность.

Многолетняя мерзлота имеет широкое распространение и находится главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура.Происхождение вечной мерзлоты до настоящего времени еще неясно. Первые исследователи считали вечномерзлые породы остатком древних оледенений. Наличие ископаемого льда и теория фазовой завесы могли служить подтверждением таких взглядов. Однако в настоящее время установлено несовпадение между границами оледенений и современными границами залегания вечномерзлых пород. Такие исследователи, как Мидендорф и Г.Вильде, связывали образование вечной мерзлоты с местными климатическими условиями.

Замечено, что выше уровня моря на каждые 200 м подъема среднегодовая температура падает примерно на 1 °С.Вечная мерзлота, по мнению Г.Вильде, могла образоваться в районах со среднегодовой температурой -2°С и ниже.Современные границы залегания вечномерзлых пород достаточно близко отвечают этому условию. М.И.Сумгин исходит из того, что в конце плиоцена начались сильные похолодания. Периодически повторяясь, эти похолодания вызвали дефицитный баланс тепла и обусловили появление многолетней мерзлоты. По времени эти похолодания могли быть связаны с оледенениями первой половины четвертичного периода.

Таким образом, М.И. Сумгин как бы обобщает предыдущие гипотезы.Однако следует считать, что происхождение многолетней мерзлоты пока еще не выяснено окончательно.Исследования, которые проводятся в настоящее время, вероятно, дадут возможность решить этот вопрос.

Происхождение вечной мерзлоты

Мерзлые породы независимо от своего состава, как правило, водонепроницаемы.Поэтому подземные воды в областях залегания вечномерзлых пород можно разделить на три основных типа: подмерзлотные, межмерзлотные и надмерзлотные.
Подмерзлотные воды, залегающие ниже слоя вечномерзлых пород, по своим свойствам практически не отличаются от подземных вод в обычных условиях. В более северных широтах они развиты в коренных породах, а в более южных-в аллювиальных отложениях долин.Подмерзлотные воды часто обладают напором и могут быть использованы в качестве источника водоснабжения.

Межмерзлотные воды залегают в слое вечномерзлых пород.Как правило они приурочены к местным таликам и представляют собой изолированныескопления воды, иногда имеющие связь с подмерзлотными и надмерзлотными водами.Запасы межмерзлотных воды весьма ограничены, так как объем таликов, к которым они приурочены, незначителен.Вне таликов межмерзлотные воды могут встречаться в твердой фазе, образуя ископаемый лед.

В условиях слоистой серзлоты эти воды могут образовать сплошной водоносный горизонт и быть напорными или ненапорными, так же как и межпластовые воды в обычных условиях.В отдельных случаях возможно движение межмерзлотных вод по трещинам и другим нарушениям в толще мерзлоты. Такие воды могут быть уподоблены трещинным водам немерзлых зон.

Надмерзлотные воды представляют наибольший интерес. По характеру залегания они подобны грунтовым, так как имеют водонепроницаемое мерзлое ложе и свободную поверхность (рис-1).В районах сливающейся мерзлоты надмерзлотные воды являются сезонно промерзающими, превращаясь в зимнее время в лед.В районах несливающейся мерзлоты эти воды могут быть сезонно полупромерзающими, когда замерзает их только их верхняя часть находящаяся в деятельном слое, или непромерзающими в тех случаях когда весь водоносный горизонт находится в талике.

Рисунок-1. Схемы залегания надмерзлотных вод:

а-сезоннопромерзающая; б-сезоннополупромерзающая; в-сезоннонепромерзающая;

Движение надмерзлотных вод вызывается прежде всего теми же причинами и происходит по тем же законам, что и движение подземных вод в немерзлотных условиях и кроме того, давлением развивающимся в замкнутом пространстве, так как заключенная в нем вода замерзает и увеличивается при этом в объеме примерно на 9%.В мерзлотных условиях этот вид движения надмерзлотных вод имеет очень большое значение.

Известно, что вода замерзающая в замкнутом пространстве, может быть переохлаждена и находится в силу этого под большим давлением.Насколько велика сила давления переохлаждения, видно из известного примера с заготовкой льда в ящике. Для заготовки льда ящик размерами 30 х 10 х 6 м сразу заполнили водой, вместо того чтобы последовательно заливать ее и замораживать тонкими слоями. Вода начала замерзать сразу со всех сторон, а ее внутренняя часть оказалась под огромным давлением и, вероятно, в состоянии переохлаждения.

Произошел взрыв громадной силы, выбросивший глыбы льда объемом по несколько кубических метров на расстоянии до 20-30 м.Более мелкие куски льда были отброшены на еще большие расстояния.Из сказанного видно, что напор переохлаждения является достаточным для того, чтобы вызвать движение воды.

Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлых пород

Наледи:

Как уже было указано, вода заполняющая поры нескальных пород, при замерзании играет роль достаточно прочного цемента и превращает породу в твердую монолитную массу.Этот процесс сопровождается изменением объема породы при замерзании и оттаивании и характеризуется величиной относительного сжатия δ.При переходе мерзлого грунта в оттаявшее состояние δ представляет отношение изменения толщины слоя грунта при оттаивании под нагрузкой к его первоначальной толщине и выражается формулой:

δ=(hm-ht)/hm=(em-et)/(1+em) (1)

где hm-толщина слоя мерзлого грунта; ht-толщина слоя того же грунта после перехода в оттаявшее состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении; em-коэффициент пористости породы природного сложения в мерзлом состоянии; et-коэффициент пористоти породы природного сложения после ее перехода в талое состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении. Для глинистых пород et определяется при влажности на границе текучести, для песчаных -при оттаивании образца безвстряхиваия в условиях свободного стекания талой воды. при достаточно больших значениях δ в случае оттаивания мерзлого слоя происходит резкое уменьшение занятого им объема, что в свою очередь, вызывает значительные просадки.

Очевидно что если известны величина относительного сжатия мерзлого грунта при оттаивании δ и мощность возможного протаивания мерзлоты h, то суммарная величина просадки при протаивании S=δh.В процессе перехода деятельного слоя из талого состояния в мерзлое и обратно возникает ряд инженерно- геологических явлений.Широко распространены наледи, ледяные бугры (булгуняхи),солифлюкция, термокарст и другие. Наледи образуются подземной водой, вырывающейся зимой на поверхность.В замерзающей надмерзлотной воде развивается высокое давление.

Переохлажденная вода взрывает образовавшуюся корку льдонасыщенной породы, вырывается на поверхность и в силу состояния переохлаждения немедленно замерзает.Наледи образуют громадные скопления льда в виде натеков и сталактитов по склонам местности, перекрывают полотно дорог.Отмечены случаи, когда замерзающие подземные воды прорывались в подполья и нижние этажи домов образуя в них наледи и вытекали из окон домов своеобразными ледопадами.

Образование наледей на проезжей части дорог объясняется тем, что за счет уплотнения снегового покрова увеличивается глубина промерзания и следовательно, увеличивается давление в замерзшей воде. Для борьбы с образованием наледей на дорогах рекомендуется прокапывать канавы или просто счищать снег вкрест потока подмерзлотных вод. В этих местах образуются зоны более глубокого промерзания, поток надмерзлотных вод будет задержан и образование наледей будет происходить в стороне от защищаемого места.

Наледи имеют самую разнообразную форму и по размерам занимают площади от нескольких десятков квадратных метров до нескольких квадратных километров.И.В. Попов указывает, что известна наледь площадью 20,5 км2 и мощностью 4,5-5,5 м. М.И. Сумгин отмечает в ходе развития наледей четыре стадии:

1) первые дни наледи -лед тонкий, размеры невелики;

2) наледь крепнет, быстро растет в длину и ширину, появляются ледяные бугры;

3) наледь достигает предельной длины и ширины; мощность ее продолжает расти; ледяные бугры раскалываются, из некоторых льется вода; при образовании трещин происходят взрывы, глыбы льда весом до 200 т отбрасываются на расстояние до 10 м и более;

4) наледь тает, рост прекращается, поверхность покрывается углублениями, каналами, рвами, бугры проседают; таяние начинается с весны, но в северных районах затягивается до июля и августа.Иногда наледи сохраняются до зимы и превращаются в многолетние.Если замерзающая вода, поднимаясь по трещинам, не может пробиться на поверхность, то она поднимает верхний слой земли, образуя бугор, (булгунях).Внутри такого бугра имеется купол льда (гидролакколит).

Иногда внутри гидролакколита имеется полость заполненная водой. Деревья поднятые с почвой при образовании бугра наклоняются в разные стороны, образуя пьяный лес. Размеры таких ледяных бугров в поперечнике достигают 80 м и более, а высота их доходит до 10 м в южных и до 30 м в северных районах.

В отдельных зонах залегают большие количества ископаемого льда перекрытого позднейшими отложениями осадочных пород.Ископаемый лед встречается на островах Ледовитого океана и на севере Азиатского материка.Так как отложения, перекрывающие его, по большей части являются моренными, то некоторые исследователи считают, что эти льды представляют погребенные остатки древних ледников.По мнению Попова И.В. , трещинный или жильный, ископаемый лед и ледяные клинья образовались параллельно с накоплением пойменных осадков аллювиальных долин в условиях суровых и малоснежных зим.

Вытаивание подземного льда и протаивание льдистых вечномерзлых грунтов в верхней части многолетнемерзлой зоны вызывают проседание поверхности и образование форм рельефа, по внешнему виду сходных с поэтому такие явления получили название термокарстовых. В зонах развития термокарста встречаются провалы и воронки размером от одного до нескольких метров в диаметре, западины, блюдца и ложбины -пологие понижения, достигающие сотен метров в диаметре и всего лишь десятков сантиметров в глубину, котловины оседания площадью до нескольких квадратных километров при глубине в несколько метров.

Образовавшиеся впадины могут заполняться водой, образуя термокарстовые озера, играющие существенную роль в дальнейшем развитие термокарста.Термокарстовое озеро является как бы тепловой защитой, вызывающей утепление донных отложений.В связи с этим увеличивается глубина донного протаивания, что в свою очередь вызывает развитие термокарста. Первопричиной возникновения термокарстовых явлений служит обнажение поверхности деятельного слоя в результате вырубки леса или распахивания почвы.

Эти явления могут также возникнуть в результате потепления климата. Термокарст в более слабой степени может наблюдаться во всех районах залегания ледяных линз и прослоек при их таянии. При оттаивании льдонасыщенные илистые и глинистые грунты переходят в разжиженное состояние.Такие грунты переувлажненные талыми и дождевыми водами, при углах склона 3-5° начинают течь, образуя натеки, уступы, борозды, террасы и другие формы микрорельефа.Такие явления называются солифлюкцией.

На Крайнем Севере, вдоль Северного побережья, солифлюкция является одним из важнейших факторов в переработке и выравнивании рельефа. В ряде случаев она вызывает образование сложных ступенчатых склонов -нагорных террас.Высота склонов таких террас достигает несколько десятков метров, а крутизна составляет 25-30° и в отдельных случаях доходит до 90 °. Горизонтальные площадки, покрытые солифлюкционными натеками мощностью до 4 м, простираются на сотни метров.

Инженерно-геологические условия строительства в криолитозонах

Своеобразный термический режим в криолитозонах требует особых методов строительства.В настоящее время, в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности изменения свойств грунтов основания в требуемом направлении принимается один из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий и сооружений:

принцип I-вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течении всего заданного периода эксплуатации здания или сооружения;
принцип II-вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации здания или сооружения или и их оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения здания).

Выбор того или иного метода зависит не от желания проектировщиков, а от конструктивных и термических характеристик возводимых зданий и сооружений и от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых грунтов (пород).Поэтому в итоге инженерно-геологические изучения толщ мерзлоты должны быть получены данные о возможности осуществления того или иного метода строительства.

Строительство с сохранением режима вечной мерзлоты является наиболее удобным во многих отношениях.Толщи вечномерзлых пород обладает многими свойствами скальных массивов, поэтому сооружения, фундаменты которых заделаны в мерзлую толщу, получают достаточную устойчивость. Однако любое здание или сооружение передает через фундаменты известное количество тепла.

В зданиях и сооружениях, выделяющих малое количество тепла, возможны такие конструктивные решения фундаментов, при которых температурный режим сжимаемой толщи грунтов практически не изменяется. Все эти конструктивные мероприятия сводятся к тому, чтобы тепло, выделяемое зданием, поглощалось в пределах деятельного слоя и не распространялось на мерзлую толщу.

Тем не менее даже в таких условиях деятельный слой непосредственно под зданием может зимой не промерзнуть.Такой участок будет более слабым по сравнению с окружающими, и в тех случаях, когда в данной местности возможно образование наледей, наледи будут прорываться в подполья и нижние этажи здания.Значительная часть промышленных и гражданских зданий выделяют такие количества тепла, которые неизбежно ведут к нарушению температурного режима мерзлых слоев.

Кроме того во многих промышленных зданиях возможны вибрации от установленных машин. Вибрационная нагрузка способна нарушать прочность льда и переводить его некоторую часть в такое состояние. В таких случаях строительство по методу сохранения температурного режима мерзлых толщ невозможно и следует предусмотреть возможность предварительного или последующего оттаивания. Оттаивание мерзлой толщи резко изменяет не только физико-механические характеристики пород, но и их объем.

Возникает проседание массы грунта под сооружением, в результате чего сооружение теряет устойчивость и прочность. При инженерно-геологических исследованиях в этих последних случаях возникают две задачи: установить возможность применения метода последующего оттаивания и установить зону (или как говорят, чашу) возможного протаивания(рис-2).

Рисунок-2. Образование чаши протаивания под зданием:

tп-температура в помещении; tм-начальная температура мерзлого грунта; b-ширина здания; hc-глубина протаивания под серединой здания; hk-глубина протаивания под краем здания; ξk-величина протаивания сбоку здания.

Для осуществления строительства по методу последующего оттаивания необходимо, чтобы в пределах чащи протаивания не содержалось отдельных скоплений льда в виде линз, штоков и прочее.Оттаивание таких ледяных включений приведет к местному резкому (примерно на 10%) уменьшению объема грунта и вызовет просадку соответствующей части здания или сооружения. Поэтому при исследованиях необходимо особо тщательное изучение строения мерзлой толщи.

РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!

Более 25% поверхности суши земного шара занимает многолетняя или вечная мерзлота. Она представляет собой промерзший грунт, который никогда полностью не оттаивает. Многолетняя мерзлота была сформирована в ледниковый период развития планеты, в районах с сухим и морозным климатом.

География вечной мерзлоты

Многолетняя мерзлота представляет собой типичное явление для приполярных и полярных районов, расположенных вблизи Северного и Южного полюсов. Также мерзлота встречается и в других районах Земли, в том числе и в экваториальных широтах, но лишь высоко в горах, вершины которых покрыты льдом и снеговыми шапками.

Рис. 1. Снежные пики высоких гор.

Единственный материк на планете, на территории которого нет вечной мерзлоты - это Австралия. Все дело в том, что он максимально удален от Южного полюса и не может похвастать высокогорьем.

Огромные массивы многолетней мерзлоты расположены в таких регионах:

• северная часть Евразийского континента;
• северные территории Канады;
• Аляска;
• Гренландия;
• Антарктида.

Толщина промерзшего почвенного слоя колеблется от нескольких десятков сантиметров до километра и более. Многолетняя мерзлота в России занимает 2/3 всей территории. Наибольшая зафиксированная глубина составляет 1370 м, и находится она в Якутии, в верховьях реки Вилюй.

Рис. 2. Территория мерзлоты возле реки Вилюй.

Мерзлота представлена двумя формами:

• Сплошная вечная мерзлота расположена на территории Сибири, Новой Земли, на арктических островах. В течение многих лет она никогда не таяла, и образовала внушительные массивы промерзшей суши.
• Частичная мерзлота расположена несколько южнее. Она характеризуется небольшим промерзшим слоем и залеганием в виде отдельных областей.

Условия формирования мерзлоты

В северных регионах грунт остается промерзшим даже летом. Оттаивает лишь небольшой слой, не более 10 см. Вода, образующаяся после таяния зимнего снега, не в состоянии полностью впитаться в твердый мерзлый грунт, поэтому летом верхний слой летом представляет полужидкое грязное месиво.

В случае, если таяние снега происходит на склоне, то впоследствии грязевая «волна» под действием силы тяжести сползает вниз. Такие грязевые оползни наиболее характерны для рельефа тундры.

С приходом осени природный ландшафт может кардинально измениться. Талая вода, скопившаяся в трещинах скальных пород, замерзает. При этом ее объем увеличивается, и порода разрушается. Это приводит к сдвигу грунта либо его вспучиванию. Так образуется пинго.

Внешне подобное место напоминает куполообразный холм высотой до 50 м, с расколотой или раскрошенной вершиной. Пинго встречаются в Сибири, Гренландии, Канаде. На их вершинах часто образуются небольшие впадины, в которых летом образуются небольшие озерца.

Рис. 3. Пинго.

Мерзлота и человеческая деятельность

Для успешного освоения северных районов очень важно владеть полной информацией о многолетней мерзлоте. Подобные знания необходимы для выполнения следующих задач :

• строительство зданий и различных сооружений;
• проведение геологоразведки;
• добыча полезных ископаемых.

Бесконтрольное таяние мерзлоты может стать причиной появления многих проблем, связанных с особенностью деятельности человека в северных районах. При проведении работ на севере это нужно избегать всеми способами.

Глубоко промерзший грунт, лишенный малейшей подвижности своих пластов, очень удобен при разработке месторождений полезных ископаемых карьерным открытым способом. Поскольку стенки карьера, скованные мерзлотой, не осыпаются, они позволяют более эффективно проводить работу.

В последние годы площадь, которую занимает многолетняя мерзлота, начала сокращаться. Области промерзшего грунта стали медленно отступать к северу. Это напрямую связано с глобальным потеплением на планете и неизменным ростом температуры. Если ситуация не изменится, то уже через несколько десятилетий районы, которые были освобождены от мерзлоты, станут пригодными для сельскохозяйственных работ.

Материал из Юнциклопедии

Мерзлые породы (грунты, почвы) имеют температуру ниже 0°С; часть воды или вся вода в них находятся в твердом, кристаллическом состоянии. В средних широтах промерзает зимой лишь небольшой поверхностный слой. Здесь распространена сезонная мерзлота. Иное дело - в северных широтах. Зима здесь долгая, морозная. Коротким летом земля оттаивает лишь с поверхности до глубины 0,5-2 м. Этот слой называется деятельным. Ниже его в породах круглый год сохраняются отрицательные температуры. Или, другими словами, сохраняется многолетняя (вечная) мерзлота.

Мерзлые толщи распространены на Земле преимущественно в заполярных районах. Крупнейшие области вечной мерзлоты - Сибирь, северная часть Северной Америки.

Территории, где распространена вечная мерзлота, называют еще областью подземного оледенения.

Область вечной мерзлоты Занимает более пятой части всей суши, а в нашей стране - чуть меньше половины всей территории. Однако мерзлые породы распространены здесь не повсеместно. В долинах крупных рек, под большими озерами и по зонам тектонических трещин, где циркулируют подземные воды, толщи многолетнемерзлых пород прерываются. Образуются так называемые талики. Кроме того, на больших пространствах (по южным окраинам области вечной мерзлоты и в горах, например в Гималаях) существует островная мерзлота в виде отдельных пятен.

В мерзлых породах лед становится своеобразным породообразующим минералом. Встречаются прослои, линзы, жилы, клинья, а то и многометровые пласты так называемого ископаемого (каменного) льда.

В условиях вечной мерзлоты образуются своеобразные мерзлотные, или криогенные (созданные льдом), формы рельефа. При сильных морозах земля с поверхности растрескивается, в морозобойные трещины проникает вода. Замерзая, она расширяет трещины и образует клиновидные ледяные жилы. Их ширина достигает нескольких метров, а длина и глубина-десятков метров. Иногда встречаются участки, где преобладают льды, а минеральный грунт находится в виде столбов между рядами ледяных клиньев. Возможно, крупные ледяные жилы возникают при внедрении и замерзании воды из таликов в мерзлые породы (вопрос этот остается нерешенным).

Порой образующаяся линза льда и поступающая снизу вода приподнимают залегающие выше грунты, возникает бугор вспучивания, называемый гидролакколитом или бул-гунняхом. В Якутии бугры достигают 25- 40 м высоты и 200-300 м ширины. Иногда давление льда и заключенной в нем воды прорывает грунт, вода вырывается на поверхность и, замерзая, образует наледь. Обычно наледи образуются в местах выхода на поверхность подземных вод и приурочены к расширенным участкам речных долин, к подножиям склонов, где выходят на поверхность ручьи, и т. д.

Под влиянием попеременного промерзания и оттаивания почв и горных пород на склонах, а также силы тяжести деятельный слой начинает медленно течь, сползать даже с пологих склонов со скоростью от сантиметра в год до сотен метров в час. Этот процесс называют солифлюкцией (от латинских слов «почва» и «истечение»). Он развит в полярных и высокогорных районах, где мерзлота препятствует просачиванию воды и она переувлажняет верхние горизонты коры выветривания. На склоне появляются потоки, языки, шлейфы сплывшего грунта, террасовидные уступы, а на ровных поверхностях - мари - особый тип мерзлотных низинных болот.

Когда мерзлые грунты протаивают, они оседают, образуя западины с озерами. Это термокарст. В северных районах мерзлотной зоны на плоской поверхности тундры встречаются оригинальные формы микрорельефа, которые называются полигональными. Образуются они в однородном мелкоземлистом или илистом грунте в виде многоугольников (обычно пяти-шестигранных) диаметром до нескольких метров, разделенных морозобойными трещинами; центры полигонов обычно заболочены, а края отличаются сухостью.

Мерзлотные процессы очень осложняют строительство и эксплуатацию зданий, дорог, мостов, туннелей, аэродромов. Приходится, по возможности, сохранять мерзлые грунты в естественном, природном состоянии. С этой целью устраивают холодные подполья, ставят здания на опоры, прокладывают охлаждающие трубы, погружают сваи в пробуренные скважины и т. д. Но мерзлота становится помощником человека, когда в ней устраиваются (или намораживаются) склады, огромные естественные холодильники.