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 tCp и амплитуду колебаний температур на поверхности почвы Ло, 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 (gM) талых и сезонного протаивания (|т) многолетнемерзлых отложений. Важнейшим при таком подходе является положение о том, что одинаковые по величине £м и gT 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 (гср=0...—1 °С): мелкие \we > Wn+ — (Wn—Wti) 1 и средние [wa+ ±(Wn-WJ<We<WH + ±(Wn-Wj], где
Wih We, Wu — 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...+5СС) 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 [WH<We<WH-\- + 1/3 (Wu — 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 tcv 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 (Ло= 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 (Ло>
>24°С). В реальных условиях для каждого района характер
но достаточно большое разнообразие значений Ло, 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 tcv 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 Ао. В результате сочетание указанных условий приводит к уменьшению gM на таликах и незначительному изменению |т по сравнению с низкотемпературными участками, но имеющими большие значения Ао.
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 Ао. 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 Ло, 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 tcv 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 Ло и их изменения с высотой на склонах гор разной экспозиции. На склонах северной экспозиции Ао меньше, чем на южных. Чем больше крутизна склонов, тем выше значения Ло, поскольку на крутых склонах обычно меньше мощность снежного покрова.
3. Анализ соотношения tCp и Ао 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 Ло, 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 gT в крупноглыбовых отложениях. бывают весьма значительны (1,5— 2,5 м), даже при низких izv. 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
