Многолетнемерзлые грунты. Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

 

1.4. Мерзлотные (криогенные) процессы и формы рельефа

К основным мерзлотным процессам относятся: морозобойное растрескивание, морозная сортировка рыхлого материала, пучение и образование наледей, морозное выветривание, криогенный крип, солифлюкция, термокарст. Большинство мерзлотных форм рельефа имеет комплексное происхождение, т.е. в их образовании принимали участие разные криогенные процессы. Криогенез протекает главным образом в двух верхних элементах полярного покровного комплекса, причем наибольшая активность связана с деятельным слоем. Поэтому по размерам мерзлотные формы обычно невелики и относятся к микро- или мезорельефу. Они располагаются на поверхности более крупных форм, которые имеют тектоническое, эрозионное или другое происхождение.

 

 На характер криогенного  рельефообразования оказывают влияние многочисленные факторы: климат, эпигенетическое или сингенетическое промерзание, мощность и льдистость мерзлых пород, механический состав грунтов деятельного слоя, экспозиция и наклон склонов и т.д. Это приводит к тому, что мерзлотные формы одного типа, но из разных районов порой существенно отличаются друг от друга.

 

1.4.1. Морозобойное  растрескивание 

 Происходит при сильном  и быстром охлаждении грунта, обычно в ясные зимние ночи.

 

Глубина проникновения трещин достигает 3-5 м и более. Сеть морозобойных трещин, как правило, имеет упорядоченные очертания, образуя рисунок полигонов (четырех-, пяти- или шестиугольники). Наиболее крупные полигоны наблюдаются в пределах низменных приморских равнин, где более высокая влажность воздуха смягчает суточные температурные контрасты. Напротив, наиболее густая сеть трещин возникает в резко континентальных условиях.

 

 В теплое время года  морозобойные трещины заполняются  водой и разжиженным грунтом. Осенью вода замерзает, образуя  жилы, которые неоднократно нарастают  и значительно расширяют трещины  – до первых метров у поверхности.

 

 Если в данной местности  климат становится теплее и  полигонально-жильные льды вытаивают, то расширенные ими трещины заполняются минеральным грунтом – так возникают грунтовые жилы. Такие грунтовые жилы в погребенном состоянии в большинстве случаев служат важным палеогеографическим свидетельством существования здесь мерзлоты в прошлом.

 

1.4.2. Морозная сортировка

 Эта сортировка часто  дополняет морозобойное растрескивание. Она неоднородна по механическому  составу грунтов деятельного  слоя. Результатом их совместной  работы становятся каменные полигоны  или, реже, каменные кольца. Процессы  морозобойной сортировки происходят  следующим образом. Мелкозернистые (песчано-глинистые) участки грунта, обладая большой влагоемкостью, при замерзании значительно увеличиваются в объеме. При этом они выталкивают более крупные обломки (щебень, гальку, валуны) к поверхности и по направлению к морозобойным трещинам. Многократное повторение замерзания-оттаивания постепенно приводит к отчетливо выраженной дифференциации грунта, которая обычно наблюдается лишь в верхней части деятельного слоя (до 0,5 – 0,8 м) и постепенно затухает с глубиной.

 

 Если грунты деятельного  слоя не содержат крупных обломков, механизм морозной сортировки  приводит к образованию широко  распространенной пятнистой (или  медальонной) тундры. Пятна-медальоны  располагаются внутри трещинных  полигонов и имеют округлую  или овальную форму, их поверхность  глинистая и лишена растительности.

 

1.4.3. Пучение и  образование наледей 

 Процессы криогенного  пучения в большей степени  связаны с замерзанием свободной  воды. Различают сезонные и многолетние  бугры пучения. Сезонные бугры  пучения возникают при зимнем  промерзании деятельного слоя: грунтовая  вода в нижней его части  оказывается под давлением (снизу  находится мощная многолетняя  мерзлота) и вспучивает над собой  верхний промерзший слой. В случае  большого давления может произойти  взрыв и излияние воды на  поверхность с образованием грунтовой  наледи. Сезонные грунты пучения  невелики по размерам (высота  обычно не более 0,5 м при поперечнике 2-3 м); в теплое время года ледяное  ядро таких бугров вытаивает, и они разрушаются.

 

 У многолетних торфяных  бугров мерзлое ядро летом  сохраняется благодаря низкой  теплопроводности торфа; год от  года они могут нарастать и  достигают высоты в несколько  метров. Менее крупные (обычно не  более 1 м) многолетние бугры пучения  развиваются в глинистых и  суглинистых грунтах, обладающих  лучшей теплопроводностью. Они получили  название «бугров-могильников». Летом  мерзлота в них вытаивает, но  насыщенный водой глинистый грунт  набухает и удерживает форму  небольшого холма.

 

 Наиболее крупные многолетние  бугры пучения образуются в  пределах низменных заболоченных  участков. Их высота может достигать  десятков метров при поперечнике  в первые сотни метров. Под торфяной оболочкой у таких бугров залегает ледяное ядро, с возникновением и ростом которого и связано вспучивание поверхности.

 

 Эти крупнейшие многолетние  формы пучения называют гидролакколитами. Часто используются также названия: якутское булгунях и эскимосское пинго.

 

 В отличие от форм  пучения наледи образуются в  результате излияния воды на  поверхность и ее замерзания  там (а не в толще грунта) в  виде более или менее обширного ледяного тела.

 

1.4.4.Морозное выветривание 

 На плоских вершинах  гор в лишенной растительности  зоне, а также на междуречьях  плато и плоскогорий в результате  активного физического (температурного  и морозного) выветривания развиваются  щебнисто-глыбовые каменные моря.

 

1.4.5. Солифлюкция

 Солифлюкцией называется течение переувлажненного грунта во время сезонного его оттаивания. Такой грунт даже на небольших уклонах местности, достигающих иногда всего лишь доли градуса, может растекаться.

 

 Сезонные промерзания  и оттаивания почв протекают  и вне зоны многолетней мерзлоты, приводя к тем же явлениям  в условиях обводненности и при некотором уклоне поверхности. В горных районах в результате солифлюкционных процессов образуются натечные террасы, курумы и каменные потоки, структурные почвы и нагорные террасы.

 

Натечные терраса (оплывины) имеют форму небольшого языка, площадью от нескольких метров до сотен метров, с крутым обрывом внизу. При сползании слоев пласты сминаются и часто разрываются.

 

Курумы и каменные потоки (каменные реки, каменные моря) представляют скопления остроугольных глыб, имеющих различные размеры. Движение их осуществляется вниз по склону за счет скольжения глыб по увлажненной и промерзшей щебневой подстилке. Подобные формы рельефа также встречаются вне зоны многолетней мерзлоты. Они могут указывать на происшедшие изменения климата.

 

Нагорные террасы образуются в высокогорных областях на склонах гор. Они возникают на различных уровнях одиночных гор, и это отличает их от речных, озерных и морских террас. Внешне такие террасы представляют относительно ровные поверхности, ограниченные уступами. По С.В.Обручеву, они образуются в результате солифлюкционных процессов. По С.Г.Бочу и И.И.Краснову, нагорные террасы возникают вследствие снежно-морозного выветривания вдоль края снежника.

 

1.4.6. Ниши протаивания (термокарст)

Термокарст – явление образования карстовых воронок в результате оттаивания деятельного слоя, многолетней мерзлоты и просадки грунта. В большинстве случаев этому способствует местные пожары.

 

 Этот процесс образуется  в результате оттаивания подземных  льдов, которое может быть связано  с потеплением климата, ведущим  к деградации многолетней мерзлоты, или с местными причинами, такими, как отепляющее воздействие водоемов, крупные пожары, хозяйственная деятельность человека и т.д. Термокарстовые формы рельефа имеют просадочное происхождение: земная поверхность проседает над образовавшимися подземными полостями.

 

 Морфологическое проявление  термокарста зависит от общей льдистости мерзлых толщ и формы залегания подземных льдов. Кроме того, термокарстовый рельеф в большинстве случаев осложняется сопутствующими процессами: солифлюкцией, эрозией. В зависимости от облика и размера различают термокарстовые блюдца, воронки, провалы, ложбины, озерные ванны, котловины и другие полые формы.

 

 Впоследствии такой  термокарст часто заполняется водой, образуя термокарстовые озёра, характерные для тундровой зоны (см. схему 1)

 

Схема 1. развития термокарстовых озёр в тундровой части Севера.

 

Эрозия в криолитозоне обычно имеет значительную термическую составляющую (отсюда термин термоэрозия). За счет теплового воздействия текучей воды на мерзлое дно и берега эрозионные рытвины и овраги часто растут очень быстро. Закладываются эрозионные формы по трещинам полигональных грунтов и вдоль термокарстовых углублений. После вытаивания ледяных клиньев образовавшиеся рвы быстро расширяются водой, превращаясь в овраги, тогда как центральные части полигонов сохраняются в виде небольших холмов высотой в несколько метров. Такие холмы известны под якутским названием байджарахи.

 

 Таким образом, отмеченные  температурно-деформационные явления  в деятельном и многолетнемёрзлом  слоях грунта в большой степени зависят от изменения внешних факторов, вносимых человеком при освоении данной территории.

 

ГЛАВА II

Многолетняя мерзлота на территории России и современное оледенение

 

2.1. Современное  оледенение на территории России

Современные ледники занимают на территории России небольшую площадь, всего около 60 тыс. км2, однако в них заключены большие запасы пресной воды. Они являются одним из источников питания рек, значение которого особенно велико в годовом стоке рек Кавказа.

 

 Основная площадь современного оледенения (более 56 тыс. км2) находится на арктических островах (см. приложение таблица 1), что объясняется их положением в высоких широтах, обусловливающим формирование холодного климата.

 

 Нижняя граница нивальной  зоны опускается здесь почти  до уровня моря. Оледенение сосредоточено  в основном в западных и  центральных районах, где выпадает  больше атмосферных осадков. Для  островов характерно покровное  и горно-покровное (сетчатое) оледенение, представленное ледниковыми щитами  и куполами с выводными ледниками. Самый обширный ледниковый покров  расположен на Северном острове Новой Земли. Длина его по водоразделу составляет 413 км, а наибольшая ширина достигает 95 км.

 

 При движении к востоку  все бoльшая часть островов остается свободной ото льда. Так, острова архипелага Земли Франца-Иосифа почти сплошь покрыты ледниками, на Новосибирских островах оледенение характерно лишь для самой северной группы островов Де-Лонга, а на острове Врангеля покровного оледенения нет — здесь встречаются лишь снежинки и небольшие леднички.

 

 Толщина ледниковых  покровов арктических островов  достигает 100-300 м, а запас воды  в них приближается к 15 тыс. км2, что почти в четыре раза больше годового стока всех рек России.

 

 Оледенение горных  областей России и по площади, и по объему льда значительно  уступает покровному оледенению  арктических островов. Горное оледенение характерно для наиболее высоких гор страны — Кавказа, Алтая, Камчатки, гор Северо-Востока, но встречается и в невысоких горных массивах северной части территории, где снеговая граница лежит низко (Хибины, северная часть Урала, горы Бырранга, Путорана, Хараулахские горы), а также в районе Маточкина Шара на Северном и Южном островах Новой Земли.

 

 Многие горные ледники  лежат ниже климатической снеговой  границы, или "уровня 365", на котором  снег сохраняется на горизонтальной  подстилающей поверхности в течение  всех 365 дней в году. Существование  ледников ниже климатической  снеговой границы становится  возможным за счет концентрации  больших масс снега в отрицательных  формах рельефа (часто в глубоких  древних карах) подветренных склонов  в результате метелевого переноса и схода лавин.

 

Площадь горного оледенения России немногим превышает 3,5 тыс. км2. Наиболее широко распространены каровые, карово-долинные и долинные ледники. Большая часть ледников и площади оледенения приурочена к склонам северных румбов, что обусловлено не столько условиями снегонакопления, но и большей затененностью от солнечных лучей (инсоляционными условиями). По площади оледенения среди гор России первое место занимает Кавказ (994 км2). За ним следует Алтай (910 км2) и Камчатка (874 км2). Менее значительное оледенение характерно для Корякского нагорья, хребтов Сунтар-Хаята и Черского. Оледенение других горных районов невелико. Самыми крупными ледниками России являются ледник Богдановича (площадь 37,8 км2, протяженность 17,1 км) в Ключевской группе вулканов Камчатки и ледник Безенги (площадь 36,2 км2, протяженность 17,6 км) в бассейне Терека на Кавказе.

 

 Ледники чутко реагируют  на колебания климата. В XVIII —  начале XIX вв. начался период общего  сокращения ледников, который продолжается и поныне.

 

 Внутренние воды России  представлены не только скоплениями  жидкой воды, но и воды в  твердом состоянии, образующей современное  покровное, горное и подземное  оледенение. Область подземного  оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин "вечная мерзлота").