Промерзания и протаивания отложений

Закономерности сезонного промерзания и протаива-ния отложений на основе анализа географических и геологи­ческих (региональных) факторов и условий, формирующих эти процессы, были впервые исследованы В. А. Кудрявцевым (1959). К географическим факторам он отнес среднегодовую температуру пород t_Cp и амплитуду колебаний температур на поверхности почвы Л_о, к региональным — состав отложений и их влажность. Классификация типов сезонного промерзания и оттаивания отложений В. А. Кудрявцева (Общее мерзлотове­дение, 1978) и положена в основу выяснения и анализа основ­ных закономерностей этих процессов, формирующих все много­образие глубин сезонного промерзания (g_M) талых и сезонного протаивания (|_т) многолетнемерзлых отложений. Важнейшим при таком подходе является положение о том, что одинаковые по величине £_м и g_T образуются при разном сочетании факто­ров. Вместе с тем изменение каждого из них приводит к раз­личной тю величине и знаку динамике глубин сезонного оттаи­вания и промерзания. На этом базируется региональный про­гноз естественной и техногенной динамики, а также приемы управления этими процессами при рациональном природополь­зовании.

В равнинных регионах и плоскогорьях, в плоских днищах межгорных орогенных областей, где проявляется геокриологи­ческая зональность, наблюдаются следующие основные законо­мерности (рис. 11.12).

66

 

Рис. 11.12. Распространение типов сезонного оттаивания и промерзания пород

на территории России и сопредельных государств (по Е. Н. Дунаевой) 1—10 — тилы сезонного оттаивания (1—4), оттаивания и промерзания (5) и промерзания {6 — 10) по среднегодовой температуре пород: Z — арктический и полярный (ниже — 10° С), 2 — устойчивый (—5...—10° С), 3 — длительно устойчивый (—2...—5° С), 4 — полупереходный и длительно устой-вый (—1...—3°С), 5 — переходный и полупереходный (+ 2...—2° С), 6 — полупереходный и длительно устойчивый (1... 3°С), 7 — длительно устой­чивый (2... 5^?С), 8 — устойчивый (5... 10° С), 9 — южный (10... 15° С), 10 — субтропический (15... 20 °С и выше); 11 — границы типов сезонного оттаива­ния и промерзания пород по среднегодовой температуре (а) и амплитуде ко­лебаний температур на поверхности (б); 12 — южная граница распространения мнсголетнемерзлых пород. Типы сезонного оттаивания и промерзания пород по амплитуде колебаний температур на поверхности: М — морской (менее 7,5° С), УМ — умеренно морской (7,5... 11° С), УК — умеренно континенталь­ный (11... 13° С), К — континентальный (13,5"... 17° С), ПК — повышенно кон­тинентальный (17... 21 °С), РК — резко континентальный (21... 24 °С), ОР'К — особо резко континентальный (выше 24° С)

1. Вблизи южной окраины мерзлой зоны в условиях остров­ного распространения ММП сезонное протаивание приурочено к торфяникам и суглинкам. В них преобладают переходные

типы (г_ср=0...—1 °С): мелкие \w_e > W_n+ — (W_n—W_ti) 1 и средние [w_a+ ±(W_n-WJ<W_e<W_H + ±(W_n-Wj], где

W_ih W_e, W_u — соответственно количество незамерзшей воды, естественная влажность пород, полная влагоемкость. Можно сказать, что имеет место «литологическии контроль» сезонного оттаивания отложений.

Сезонное промерзание отличается большим разнообразием по температурным условиям, по составу и влажности отложе-

3*

67

ний и глубинам. По температурам преобладают переходные (£_Ср=0... + I °С), полупереходные (/_Ср=+1...+2°С) и даже длительно устойчивые (^_Ср== + 2...+5^СС) типы. Последние приурочены главным образом к массивам песков различного генезиса и к гравийно-песчаным отложениям пойм и низких террас рек. В целом сезонно промерзают все возможные лито-логические разновидности, при этом влажность их меняется в очень широких пределах, т. е. от глубоких [W_H<We<W_H-\- + 1/3 (W_u — Wh)] до мелких типов, в зависимости от положения в рельефе, глубины залегания грунтовых вод и других условий.

2. При движении к северу в условиях массивно-островного
и прерывистого распространения ММП характерными являют­
ся переходные и полупереходные типы сезонного промерзания
и сезонного оттаивания. Характер литологических разновидно­
стей сезонноталового слоя (СТС) расширяется (торф, суглин­
ки, пылеватые супеси, пылеватые мелкозернистые пески), а се-
зонномерзлого (CMC), напротив, сужается. В CMC преобла­
дают пески, грубообломочные и другие отложения, имеющие
обычно значительную проницаемость. Таким образом, прояв­
ляется.«литологичёский контроль» за сезонным промерзанием
отложений. Характерно большое разнообразие по влажности
отложений СТС и CMC.

3. В условиях сплошного распространения ММП проявля­
ются широтное понижение t_cv и переход к длительно устойчи­
вым (^ср=—2...—5°С), устойчивым (4р=—5...—10 °С) и
арктическим (^ср^—10...—15°С) типам сезонного оттаивания.
Первые два типа характерны для севера Восточно-Европей­
ской и Западно-Сибирской равнин, Среднесибирского плоско­
горья и Северо-Сибирской равнины. Арктический тип прояв­
ляется на приморских низменностях Северо-Востока России и
островах Северного Ледовитого океана. Сезонное промерзание
связано с гидрогенными (пойменными и подрусловыми) тали­
ками, относится к переходному и полупереходному типам, пре­
имущественно песчаным, средним и мелким. СТС включает все
возможные литологические разновидности и имеет влажность,
варьирующую в широких пределах, особенно в районах с засуш­
ливым, континентальным климатом (Центральноякутская рав­
нина).

4. Общей зональной закономерностью являются тенденция
увеличения к северу влажности СТС и преобладание мелких
типов оттаивания отложений. Это обусловлено избыточно
влажным, холодным климатом территорий, обрамляющих с юга
акваторию Полярного бассейна. Здесь количество атмосфер­
ных осадков, часто весьма незначительное (порядка
200 мм/год), существенно превышает испарение. Выпадают
жидкие осадки, главным образом в виде моросящих дождей
в течение всего теплого сезона года. В маломощном СТС (от
0,1 до 0,5—0,6 м) преобладают пылеватые, часто оторфован-
ные разновидности отложений, обладающие слабой водоотда-

чей. Поэтому к моменту промерзания СТС бывает водонасы-щен и в мерзлом состоянии обладает высокой льдистостью.

5. Результатом зональных изменений /_ср (от 0 до —10°С)
и влажности отложений при одинаковом значении континен­
тальное™ является уменьшение £_т. Например, в Западной Си­
бири в торфяниках 1т уменьшается с юга на север от 0,8—1,2
до 0,15—0,2 м, в суглинках — от 1,7—2 до 0₅2—0,3, песках пы~
леватых — от 2—2,5 до 0,3—0,4 м.

6. Важной литологической особенностью разнообразных по
генезису отложений равнин, плато и межгорных депрессий в
пределах мерзлой зоны₅ а также зоны глубокого сезонного про­
мерзания является их высокая пылеватость (см. III.2). Поэто­
му в СТС и CMC преобладают пылеватые супеси, суглинки,
тонко- и мелкозернистые пески, а в грубообломочных отложе­
ниях — заполнитель соответствующего состава. Широкое рас­
пространение имеют так называемые «покровные суглинки»,
представляющие собой криогенный элювий дисперсных отло­
жений и продукты его ближнего переотложения. Низкую пы­
леватость имеют пески, слагающие небольшие, хорошо дрени­
рованные и часто развеваемые массивы. Они обладают низкой
влажностью, в силу этого медленно выветриваются. Небольшая
пылеватость характерна также для современного «наледного
аллювия» на низких террасах рек в местах активного действия
наледей северного и умеренного типов (111.11).

7. Континентальность типов сезонного промерзания и от­
таивания отложений изменяется в соответствии с геокриологи­
ческой секториальностью (см. П.2). В Северной Евразии кон­
тинентальность возрастает с запада на восток. Для Восточно-
Европейского сектора характерны от морских (Л₀<7,5°, Коль­
ский п-ов) до континентальных (Л_о= 13,5-у 17°, Предуралье)
преобладающие типы сезонного оттаивания; для Западно-Си­
бирского сектора — от умеренно континентальных и континен­
тальных (Л₀=11,0—17,0°) до повышенно континентальных
(Л₀=17—21°); для Среднесибирского — от повышенно конти­
нентальных до резко континентальных (А₀=2\ —24°); для Во­
сточно-Сибирского сектора — резко континентальные (Л_о>
>24°С). В реальных условиях для каждого района характер­
но достаточно большое разнообразие значений Л_о, свойствен­
ное разным ландшафтным условиям.

8. В регионах с ветровым перераспределением снега (Вос­
точно-Европейский, Западно-Сибирский секторы, побережье
Арктического бассейна, равнины Камчатки) обычно участкам
с более высокими /_Ср, в том числе и талым, соответствуют
меньшая континентальность типов сезонного промерзания и
оттаивания отложений и небольшие глубины СТС и CMC.
Связано это с тем, что более высокие t_cv характерны для
ландшафтов с большей мощностью снега: пониженных участ­
ков рельефа, заболоченных, покрытых кустарниками или зале­
сенных, где отложения обладают высокой влажностью. Снеж-

69

бый покров здесь воздействует не только как отепляющий фактор, но и сокращающий А_о. В результате сочетание указан­ных условий приводит к уменьшению g_M на таликах и незначи­тельному изменению |_т по сравнению с низкотемпературными участками, но имеющими большие значения А_о.

Изменение типов сезонного оттаивания и промерзания по степени континентальности прослеживается также с севера на юг, т. е. от арктического побережья в глубь континента. В этом направлении возрастает А_о. Такого рода изменения прослежи­ваются в сезонном промерзании-оттаивании в центральной (та­ежной) и наиболее ярко в сезонном промерзании в южной (степной) части Западной Сибири (Гиличинский, 1986). С се­вера на юг таежные и болотные ландшафты сменяются степны­ми, увеличивается континентальность климата, уменьшаются мощность снега и количество летних осадков, возрастает испа­ряемость. Все это обусловливает увеличение Л_о, а в засушли­вой части степной зоны — проявление процессов континенталь­ного засоления почв. Влага в такой почве в результате повы­шенной минерализации замерзает не при 0°С, а в диапазоне отрицательных температур. Поэтому в засоленных почвах зи­мой образуется двухслойная сезонная криолитозона с верхним мерзлым и нижним охлажденным слоями.

К югу от границы области распространения ММП повы­шается tcp отложений. Однако это только ослабляет влияние увеличивающейся континентальности типов сезонного промер­зания пород, уменьшения их влажности, а также засоления почвенной влаги на возрастание глубин их сезонного промер­зания и охлаждения. Так, пылеватые супеси и суглинки с ^_Ср, близкими к 0°С, промерзают в условиях таежных и болотистых ландшафтов всего на 1,2—1,7 м, а в степной зоне при £_Ср= = + 5...Н-6°С — на 3—3,5 м. При этом нижние 1,5—2 м на­ходятся на засоленных участках в охлажденном ниже 0° со­стоянии.

В горных районах прослеживаются следующие основные закономерности сезонного промерзания и протаивания пород.

1. Изменение /_Ср подчиняется геокриологической высотной
поясности (см. II.2), в соответствии с которой меняются типы
сезонного оттаивания и промерзания пород. Диапазон этих из­
менений может быть чрезвычайно велик. В горных районах
криолитозоны севера Евразии на вершинах гор выше абсолют­
ных высот 2500 м t_cv могут опускаться ниже —10 и даже
■—15°С и существуют полярный и арктический типы сезонного
оттаивания отложения. В горах Средней Азии и Памира тем­
пературы могут достигать —25... —30 °С.

2. Амплитуды колебаний температур воздуха, а также на
поверхности почвы имеют тенденцию к сокращению как при
морском, так и при континентальном типе геокриологической
поясности. Однако вертикальный градиент изменения А® не­
одинаков. Обычно он больше при морском типе, особенно в

70

диапазоне высот, соответствующем нижнему геокриологическо­му поясу континентальных типов (до 1000—1600 м). Неодина­ковы величины Л_о и их изменения с высотой на склонах гор разной экспозиции. На склонах северной экспозиции А_о мень­ше, чем на южных. Чем больше крутизна склонов, тем выше значения Л_о, поскольку на крутых склонах обычно меньше мощность снежного покрова.

3. Анализ соотношения t_Cp и А_о показывает, что в высоко­
горье, особенно на склонах, экспонированных на север, распро­
странены эпизодически и периодически исчезающие, периодиче­
ски и эпизодически возникающие типы сезонного оттаивания.
В Центрально-Азиатском регионе альпийской криолитозоны с
высот 5000 м на юге, 6000 м на севере отсутствует безморозный
период (Горбунов, 1986). В результате летом породы склонов,
экспонированных на юг, оттаивают днем и промерзают ночью.
На склонах северной экспозиции даже дневное устойчивое от­
таивание пород может отсутствовать. Ежесуточное дневное от­
таивание и ночное промерзание на прогреваемых солнцем
склонах (от 2—3 до 5—10 м) слоя приводят к активнейшему
проявлению криогенного выветривания и образованию слоя
мелкозема. Дневное таяние выпадающего снега и подтаивание
краев снежников ведут к увлажнению этого слоя и активиза­
ции процесса нивации. В результате в «царстве вечного холо­
да» возникают «шелушащиеся скалы», мелкозем разносится
ветрами, включаясь в ледниковый лед, накапливаясь в депрес­
сиях рельефа в ветровой тени.

4. В литологическом отношении породы СТС и CMC в го­
рах разнообразны. Однако преобладают щебнисто-дресвяные,
щебнисто-глыбовые, гравийно-галечные, валунные и другие
разновидности грубообломочных пород с разным содержанием
мелкоземистого заполнителя или лишенные его. Это образова­
ния склонового, ледникового и водного рядов. Характерным яв­
ляется сезонное промерзание (охлаждение) и протаивание (на­
гревание) скальных и полускальных пород, выходящих на по­
верхность и в разной степени затронутых выветриванием.

5. Влажность отложений СТС (CMC) изменяется в широ­
ких пределах. Для отложений выположенных участков — меж­
дуречий и днищ котловин, перевальных седел и др. — харак­
терны высокая влажность и мелкие типы оттаивания (промер­
зания). Напротив, для грубообломочных отложений на склонах
в большей степени типичны низкая предзимняя влажность и
льдистость СТС в мерзлом состоянии.

Для ряда крупноглыбовых образований (курумов, обваль-но-осыпных и др.), залегающих на склонах крутизной от 3—5 до 40—50°, свойствен специфический термовлажностный ре­жим. Зимой в крупноглыбовом слое с открытой пустотностью происходит воздушная конвекция, ведущая к его выхолажива­нию. Этому способствуют маломощный, несомкнутый снежный покров, наличие выступающих камней и «продухов» для воз-

71

духа. Весной талые снеговые воды просачиваются в этот слой, намерзая на поверхности камней в виде корок «гольцового» — натечно-инфильтрационного льда. Последующее протаивание ведет к подтаиванию этого льда, повторной инфильтрации и замерзанию влаги и, как итог, к концентрации в нижней части СТС гольцового льда. Вследствие большой проницаемости и уклонов талая вода к началу зимнего промерзания полностью стекает из СТС, и в сезонномерзлое состояние порода перехо­дит в воздушно-сухом виде. Такой тип водно-термического ре­жима крупноглыбовых образований в СТС назван «гольцо­вым». По влажности он обычно соответствует глубоким, реже средним типам оттаивания, по классификации В. А. Кудрявце­ва. Крупноглыбовые образования без заполнителя с таким ре­жимом имеют /_Ср на 2—3° ниже, чем заполненные мелкоземом (см. II.3). Повышена и Л_о, причем зимой низкие температуры и режим, близкий к изотермическому, имеет весь слой до его подошвы, т. е. минимальные температуры на поверхности пород и подошве СТС равны между собой. Это может быть причи­ной проявления криогенного трещинообразования многолетне-мерзлого субстрата, при котором трещины образуются с по­верхности мерзлой толщи, а не с поверхности земли.

В результате комплекса описанных процессов g_T в крупно­глыбовых отложениях. бывают весьма значительны (1,5— 2,5 м), даже при низких i_zv. Заметим, что известны случаи, ког­да в курумах ^_Ср бывает близка или даже ниже среднегодовой температуры воздуха.

Гольцовый тип сезонного оттаивания (реже промерзания) в горных районах, сложенных скальными. метаморфическими и изверженными породами, плохо поддающимися выветриванию, очень широко распространен, особенно в гольцовом поясе гор Забайкалья и Прибайкалья, Станового нагорья и др. В оро-генных областях, в геологическом строении которых преобла­дают эффузивные и осадочные, слабометаморфизованные по­роды, на склонах распространены щебнистые образования с мелкоземистым заполнителем (делювиальные, солифлюкцион-ные и др.). И только к выходам изверженных пород приуроче­ны курумы и каменные россыпи. Примером могут служить го­ры Верхояно-Колымского орогена, где преобладают мезозой­ские флишеподобные терригенные отложения.

Глава III

ЗОНАЛЬНЫЕ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ