Реферат Многолетняя мерзлота

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Перенская средняя  школа»

Рославльского района Смоленской области

 РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«МНОГОЛЕТНЯЯ МЕРЗЛОТА»

                                                Автор:  Воронцова Екатерина, ученица 10 класса

Руководитель:  Пуликова Ирина Петровна,

учитель биологии – географии  МБОУ

Перенская средняя школа

д. Перенка, 2019 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение ………………………………………………………………………………….....   3

1. Что такое геокриология  ……………………………………………………….......   4

1. Предмет геокриология; понятия и термины. Строение криосферы Земли ...   4
2. История исследования многолетней мерзлоты ………………………………   6
3. Структура современной геокриологи, её связь с другими науками …………  9      

2. Современные представления о многолетней мерзлоте …………………………..  12

1. Современные представления о возникновении  развитие многолетнемерзлых  

пород ……………………………………………………………………………..  12

2. Состав мёрзлых дисперсных (осадочных) пород ……………………………..  12
3. Снежный покров, его влияние на многолетнюю мерзлоту …………………..  13
4. Растительность, её влияние на многолетнюю мерзлоту ……………………..   13
5. Влияние на многолетнюю мерзлоту рельефа местности, экспозиции и крутизны склонов …………………………………………………………………………...  14

3. Криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления…………………    15

1. Морозное пучение дисперстных пород ……………………………………….   15
2. Морозобойное растрескивание и полигонально – жильные образования ….   16
3. Термокарст ………………………………………………………………………  17
4. Наледеобразование ……………………………………………………………..   18
5. Криогенные склоновые (гравитационные) процессы ………………………..   20
6. Термогидрогенные процессы ………………………………………………….   22

4. Влияние многолетней мерзлоты на хозяйственную деятельность человека …..   24

Заключение ………………………………………………………………………….  25

Список литературы …………………………………………………………………  26

Введение

Тема: "Многолетняя мерзлота"                                                                                           Автор:  Воронцова Екатерина, ученица 10 класса  МБОУ Перенской средней школы

Руководитель:  Пуликова И.П., учитель биологии - географии.

Актуальность темы:  Тема работы является актуальной, так как вечная мерзлота занимает в нашей стране достаточно большую площадь. Интересно узнать, как она возникла, какие факторы способствовали ее образованию. Как она влияет на природу нашей страны и хозяйственную деятельность человека?                                                                                                        

Практическая значимость:  Материалы реферата  будут использованы учениками на уроках географии.                                                                                                

Цель: Изучить  многолетнюю мерзлоту - уникальное и в тоже время, широко представленное на территории нашей страны, явление.

Задачи:                                                                                                                                                                                             

1.Изучить литературные источники, установить, что такое многолетняя мерзлота, как  она возникла и насколько широко  распространена?  Какая наука занимается изучением многолетней мерзлоты?                                                    

2.Познакомиться с  историей  исследования многолетней мерзлоты.                                      

3.Установить, каково влияние снежного покрова, растительности, рельефа на многолетнюю мерзлоту.                                                                                                                                

4.Изучить криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления                                      

5. Установить, как антропогенная  нагрузка влияет на многолетнюю мерзлоту

Методы исследования: картографический, анализ и синтез, работа с учебной и справочной литературой

1. Что такое геокриология

1.1. Предмет геокриологии; понятия и термины. Строение криосферы Земли        

Почти две трети территории России занято многолетней мерзлотой, многие крупные месторождения полезных ископаемых находятся именно здесь, в зоне вечной мерзлоты. На мерзлых грунтах строятся крупные промышленные и гражданские объекты, прокладываются различные виды линейных сооружений (автомобильные и железные дороги, газо- и нефтепроводы), словом, идет интенсивное освоение северных территорий. В связи с этим  люди должны быть подготовлены для работы в суровых северных условиях и иметь представление об особенностях развития многолетней мерзлоты и ее взаимосвязи с другими компонентами природы.        

 Наука, которая занимается изучением закономерностей формирования, развития и существованием во времени и пространстве мерзлых горных пород, их состава, строения, геологических процессов, связанных с отрицательными температурами, называется геокриологией. Этот термин предложил П.Ф.Швецов (1955) вместо существовавшего тогда термина «мерзлотоведение».

Основатель мерзлотоведения, как самостоятельной науки, Михаил Иванович Сумгин (1873-1942). кратко определил его как учение о вечной мерзлоте и мерзлых грунтах, т.е. нахождение горных пород в мерзлом состоянии длительное время.

Более общая задача геокриологии – изучение мерзлой зоны литосферы, или криолитозоны. Криолитозона – это часть земной коры, в которой горные породы (почвы, грунты) имеют отрицательную температуру вне зависимости от наличия и фазового состояния воды в ней. Криолитозона входит в состав криосферы Земли, которая (по В.И.Вернадскому) представляет собой такую термодинамическую оболочку, в которой одновременно при отрицательных температурах могут существовать лед, вода и пар. Криосфера включает в себя помимо криолитозоны значительную часть атмосферы (до высот 100-120 км), а также льды суши, морей и океанов. Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород (Романовский, 1983).

По длительности существования в мерзлом состоянии почвы, грунты и горные породы подразделяются на следующие три типа: кратковременно мерзлые, сезонно мерзлые и многолетнемерзлые.  

 Кратковременно мерзлое состояние почвы возникает в южных широтах, где среднесуточная температура воздуха в зимний период редко опускается ниже 00С, поэтому мерзлое состояние почвы длится всего лишь несколько часов, реже суток.

Сезонномерзлое состояние почвы и грунтов продолжается несколько месяцев и на некоторой глубине может наблюдаться до конца теплого периода. Продолжительность сезонного промерзания зависит от широты, долготы и высоты местности, а также других географических условий.

Многолетнемерзлое состояние породы может длиться без перерыва длительное время. Условно принято считать многолетнемерзлыми породы, не оттаивающие на протяжении 2-3 и более лет, они составляют основную часть криолитозоны.

В тоже время, слой сезонномерзлого грунта (породы), не протаявший полностью в течение летнего периода и переходящий в мерзлом состоянии в следующую зиму, называют перелетком. Иногда перелетки существуют несколько лет.

Многолетняя криолитозона явление зональное как в общегеографическом смысле, так и геологическом. Пространственное распространение мерзлых толщ определяется широтой местности, ее высотой над уровнем моря, глубиной от дневной поверхности и историей геологического развития региона. Мощность криолитозоны (с юга на север) изменяется от единиц до многих сотен метров. Максимальная вскрытая мощность криолитозоны в северном полушарии равняется 1450 м (Западная Якутия, бассейн р.Мархи). В высокогорьях, а также в пределах Антарктического щита глубина промерзания горных пород может быть значительно больше. В недалеком геологическом прошлом, в плейстоцене, в периоды длительных похолоданий климата, многолетнее промерзание земной коры на Евроазиатском континенте могло достигать  глубины нескольких километров.

          Среднегодовая температура криолитозоны, определяемая на подошве слоя сезонного оттаивания или при разовых замерах на глубинах 10-20 метров, где температура постоянная в течение года, также явление зональное. Она изменяется от нуля – вблизи южной границы распространения многолетнемерзлых пород, до минус 10-150С – на арктическом побережье Северо-Востока России. Площадь распространения криолитозоны занимает около 25% поверхности суши Земли и почти 2/3 территории нашей страны. В России многолетнемерзлые породы (ММП) развиты на севере Европейской части (Кольский полуостров,  побережье Баренцова моря), на полярном и северном  Урале, на севере обширного Западно-Сибирского региона (примерно к северу от широтного направления р.Обь), охватывает большую часть Востока и почти всю территорию Северо-Востока Сибири, северные районы Дальнего Востока и Камчатки. Она распространена в горах Алтая, Саянах, Тянь-Шань. Выделяют районы сплошного, прерывистого и островного ее развития. Вблизи южной границы криолитозоны ММП образуют изолированные острова, площадь которых к северу увеличивается, отдельные острова мерзлоты сливаются в крупные массивы, разделенные немерзлыми (таликовыми) зонами и, наконец, образуются сплошные мерзлые толщи, охватывающие громадные территории. Принято считать, что если ММП в регионе занимают более 90% площади, то говорят о сплошном распространении мерзлых толщ; от 50 до 90% – прерывистом, менее 50% – островном.

                Зона сплошного распространения многолетнемерзлых пород охватывает Тазовский, Ямальский и Гыданский полуострова, низовья рек Пур, Таз и Енисей. Она приурочена к тундре и северной части лесотундры; южная граница проводится по параллели 660 с.ш. ММП развиты здесь даже в пределах прибрежной мелководной части Карского моря и прибортовых участков эстуарий крупных рек. Мощность криолитозоны в северных районах достигает 400-500 и, возможно,  более метров. Температура пород изменяется в пределах минус 370С.

               Зона прерывистого распространения ММП охватывает южную часть лесотундры, всю северотаежную подзону, северную часть среднетаежной подзоны и простирается до 61° с.ш. На севере этой зоны мерзлые породы занимают свыше 50% площади, на юге  они имеют островное распространение.  Температура горных пород в зоне прерывистой «мерзлоты» изменяется от положительных до отрицательных значений: от +10+2 до -20-4°С, реже ниже.  Зона потенциального развития мерзлых толщ с юга ограничивается 56° с.ш. Для этой зоны характерно относительно глубокое промерзание грунтов, а в суровые малоснежные зимы – образование перелетков мерзлых пород. Наиболее вероятно их образование при хозяйственном освоении территории.  В зонах прерывистого и потенциального распространения мерзлых толщ на глубинах в десятки (на севере) и даже сотни (на юге) метров, под слоем талых пород залегают реликтовые мерзлые породы. Широкое распространение заглубленной реликтовой мерзлоты – отличительная особенность криолитозоны Западной Сибири. Реликтовые мерзлые толщи вскрываются скважинами далеко за пределами южной границы распространения мерзлых толщ, залегающих с поверхности.

Таким образом из изложенного выше следует: а) на севере криолитозоны Западной Сибири развиты сплошные по вертикали мерзлые толщи мощности до 400-500 м; б) в средней части криолитозоны мерзлые породы имеют двухярусное строение: вверху залегают современные (голоценовые), а ниже, под талым горизонтом мощностью от нескольких десятков до первых сотен метров – древние (плейстоценовые мерзлые толщи); в) на юге криолитозоны Западной Сибири многолетнемерзлые породы существуют только на больших глубинах (200-300 м).

1.2. История исследований криолитозоны

           В истории развития геокриологии (мерзлотоведения) можно выделить несколько этапов. Первый этап или предыстория (XVI – первая половина XVIII века) характеризуется обнаружением мерзлоты и первыми попытками объяснения ее существования. Аборигены арктических земель и Восточной Сибири, несомненно, знали о существовании мерзлых пород, с ними они непосредственно сталкивались в повседневной жизни и даже использовали в практических целях вечный холод земли. В литературе же первые сведения о мерзлоте (которую на западе называли «русским сфинксом») стали появляться лишь с конца XVI века. В это время усилились поиски русскими людьми северного морского пути из России в Китай (Основы геокриологии.., 1959).

В XVII веке в связи с продвижением русских землепроходцев на Восток и Север Сибири в Москву стали поступать сведения о мерзлых породах. Так в 1640 г. якутские воеводы Петр Петрович Головин и Матвей Богданович Глебов сообщали: «А в Якутцком-де, государь, по сказкам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни нечаять; земля-де,  государь, и среди лета вся не растаивает…». Без пашни, как известно, нет и хлеба, а, значит, для пропитания царских подданных необходимо было ежегодно направлять продовольственные обозы из  западных регионов империи.  

Известный участник Сибирско-Тихоокеанской (Великой Северной) экспедиции XVIII века Иоганн Георг Гмелин из рассказов якутских жителей узнал, что уже в 1685-1686 гг. казаки-устюжане вырыли шахтный колодец глубиной более 30 м. Инициатор этого дела воевода Матвей Осипович Кровков сообщил в Москву «А колодезя, великие государи, в Якуцком сделать никоими мерами нельзя, потому что земля летом тает в полтора аршина, а больше двух аршин земля никогда не тает, а в исподнее на дне земля всегда мерзла». Однако и сам И.Г. Гмелин, вероятно, нетвердо верил рассказам сибирских казаков, поскольку его отчет о сибирской поездке (1752 г.) не убедил известных западных испытателей того времени в наличии на таких глубинах беспрестанно мерзлых пород.

Даже спустя 75 лет после названной публикации, немецкий академик Леопольд Бух писал: «Показания казаков не должно было бы помещать в учебниках для подкрепления столь странного и невероятного факта». Западноевропейские ученые до середины XIX в. не верили в возможность многолетнего глубокого промерзания литосферы, хотя еще в 1757 г. Михайло Васильевич Ломоносов в своей работе: «Слово о рождении металлов от трясения земли» убедительно объяснил закономерность глубокого промерзания подпочвы. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой.

                 Следующий этап охватывает период со второй половины XVIII по первую половину XIX вв. Продолжается накопление фактического материала по мерзлым породам различных районов Сибири, Якутии, Забайкалья, на побережье моря Лаптевых и Новосибирских островах. В исследованиях принимали участие Алексей Евдокимович Фигурин, Адольф Эрман, Петр Федорович Анжу, Фердинанд Петрович Врангель, Федор Федорович Матюшкин, Александр Федорович Миддендорф, Прокопий Тарасович Козьмин и др.  

Стимулом к формированию и развитию геокриологии явилось неслыханное достижение практики – проходка в толще мерзлых пород шахты глубиной более 116 м.   В городе Якутске в 1828 г. под руководством служащего Русско-американской компании Федора Егоровича Шергина начали вести работы по рытью колодца, копали его почти восемь лет до 1836 г., но из толщи мерзлых пород так и не вышли. Этот колодец существует и в настоящее время, он известен как «шахта Шергина».  

Наука, как известно, начинается с измерений. Уже в 1829 году в стенке колодца Шергина на глубине 15,7 м А.Эрман  замерил температуру многолетнемерзлых пород, которая оказалась равной минус 60Реомюра. Позднее академиком А.Ф. Миддендорфом, проводившим геоботанические исследования Сибири в период 1843-1846 гг.,  выполнены детальные измерения температуры по всему стволу шахты и вычислен геотемпературный градиент. По температурному градиенту была определена мощность мерзлой зоны в размере 609 футов (около 185 м).  А.Ф.Миддендорф исследовал огромные пространства Западной и Восточной Сибири, от бассейна реки Енисей до берегов Охотского моря и собрал обширный материал по мерзлым породам. Он доказал ученым всего мира, что на обширных пространствах севера Азиатского континента, начиная с глубин 0.52.0 м и до глубин в десятки и даже сотни метров залегают «беспрестанно мерзлые грунты».

В конце XIX в. начали изучать «мерзлоту» и в Северной Америке.

               Вторая половина XIX – начало XX в. характеризуется зарождением мерзлотоведения как прикладной отрасли знаний, что обусловлено началом промышленного освоения Сибири – строительством Транссибирской магистрали, развитием горнодобывающей промышленности.

 В 1866-1867 гг. Г.Л.Майдель впервые выполнил морфометрическое описание гигантской Кыра-Нехаранской  наледи на Северо-Востоке Сибири площадью (по его оценке)  около 100 км2.

В 1889 г. Л.А.Ячевский, внесший большой вклад в развитие мерзлотоведения, представил схематическую карту распространения вечной мерзлоты и ее южной границы.

 В этом же году А.И.Воейков публикует данные о мерзлых породах в районах строительства Сибирской железной дороги. Уже в 80-х годах XIX в. И.В. Мушкетов приводит данные по мерзлоте. в своих лекциях для студентов Горного института в г.Санкт-Петербурге. Здесь же, в С.-Петербурге, под его руководством была создана Комиссия по изучению мерзлоты. В нее вошли А.И.Воейков, В.А.Обручев, М.А. Рыкачев и К.И.Богданович. В 1895 г. этой Комиссией была выпущена инструкция по изучению мерзлой почвы Сибири. В 1892 г. вышла работа Н.М.Козьмина, в которой он заложил основы представления о гидрогеологии горных стран в области распространения «вечной» мерзлоты. В 1903 г. С.А.Подьяконов публикует работу «Наледи Восточной Сибири и причины их возникновения». В 1912 г. Н.С.Богданов в монографии «Вечная мерзлота и сооружения на ней» освещает способы строительства сооружений в условиях Забайкалья. В 1916 г. была опубликована капитальная работа А.В.Львова «Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на западной части Амурской железной дороги в условиях вечной мерзлоты почвы». Она явилась первой крупной сводкой по гидрогеологии мерзлой зоны литосферы.

За рубежом в этот период также проводились работы по изучению подземной криосферы (Аляска, Шпицберген, Швеция и др.), но они носили эпизодический и нередко случайный характер.

            Первая  половина XX века в истории изучения мерзлоты является периодом становления мерзлотоведения как науки, созданной в первую очередь российскими и советскими учеными. В этот период начаты планомерные и целенаправленные исследования вечной мерзлоты. Развитие хозяйственной деятельности в области криолитозоны потребовало обобщения накопленных к тому времени знаний о мерзлых породах. Эта задача была успешно решена М.И.Сумгиным, опубликовавшем в 1927 г. книгу «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР». В 1929 г. при АН СССР была организована постоянная комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством акад. В.А. Обручева. В период с 1930 по 1936 гг. Комиссией было созвано пять совещаний по вечной мерзлоте. В 1936 г. в связи с расширением исследований в Арктике Академия наук реорганизовала КИВМ в Комитет по вечной мерзлоте, на основе которого в 1939 г. в Москве был организован Институт мерзлотоведения им. В.А.Обручева (ИНМЕРО).

 В конце 20-х и середине 30-х годов ХХ столетия организуются научно- исследовательские мерзлотные станции (НИМС). Первые станции были открыты в п.Сковородино и г.Петровске-Забайкальском, находящимся на Транссибе. К середине 30-х годов в стране действовало уже более 10 станций Идея создания научных станций принадлежала М.И.Сумгину, который осуществлял научное руководство их деятельностью. На мерзлотных станциях организуются стационарные наблюдения, региональные исследования, изучается опыт строительства, начинаются исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Годы создания некоторых НИМС: 1936 – Воркутинская  (ВНИМС), 1935 – Анадырская  (АНИМС), 1930 – Игарская,  1941 – Якутская  (ЯНИМС).

В 1940 г. Институт мерзлотоведения опубликовал первое учебное пособие по мерзлотоведению – «Общее мерзлотоведение» (М.И.Сумгин, С.П. Качурин, Н.И.Толстихин, В.Ф.Тумель, под редакцией В.А.Обручева). В 30-40-е годы М.И.Сумгин начинает читать лекции по мерзлотоведению в Ленинградском горном институте и Ленинградском государственном университете.

В 30-е годы началось становление инженерного мерзлотоведения. В 1938 г. завершено строительство крупного промышленного сооружения на вечной мерзлоте – Якутской Центральной электростанции (ЯЦЭС), проектные изыскания выполнены под руководством Н.А.Цытовича. В довоенное время продолжалось изучение подземных вод криолитозоны Забайкалья, Дальнего Востока, Якутии и Амурской области.

 В конце 20-х – начале 30-х годов важные исследования на наледях вдоль Амуро-Якутской автогужевой магистрали выполнил инженер Валериан Гаврилович Петров. Им были разработаны и широко применялись на практике  мероприятия по защите дорожного полотна от негативного воздействия наледей.                      

Вторая половина XX – начало XXI в. является современным этапом в истории геокриологических исследований и характеризуется дальнейшим интенсивным развитием науки.   Расширяется круг геокриологических исследований в Западной Сибири.   В 1956 г. Институтом мерзлотоведения созывается VII Межведомственное совещание по мерзлотоведению, в котором участвовали представители 84-х научных и производственных организаций страны, в том числе Норильска и Магадана, где велись мерзлотные исследования.

 В 1959 г. ИНМЕРО выпустил капитальный труд «Основы геокриологии (мерзлотоведения)» в двух томах, а через два года – методическое руководство «Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования». В 1961 г. в Якутске,  на базе отделения Московского  института мерзлотоведения создается самостоятельный институт с тем же названием, который вошел в состав Сибирского отделения Российской Академии наук. В настоящее время Якутский Институт мерзлотоведения СО РАН носит имя первого директора академика П.И.Мельникова (19081994).

В 60-80-е годы прошедшего столетия проводились обширные мерзлотногидрогеологические и инженерно-геокриологические исследования во всех районах развития криолитозоны Сибири, где велось строительство автомобильных и железных дорог, газо- и нефтепроводов, возводились гидротехнические сооружения на вечной мерзлоте, создавались крупные горнообогатительные комбинаты и многие другие разномасштабные сооружения государственного или ведомственного значения. Научные результаты, полученные в результате проведения широкомасштабных исследований, нашли отражение в 28-и выпусках «Мерзлотные исследования» МГУ, трудах ученых Института мерзлотоведения СО РАН, десятках научных монографий и статей специалистов самого различного профиля.  В 90-е годы прошедшего столетия по известным причинам произошел резкий спад в проведении полевых геокриологических исследований по всей стране, но накопленный фактический материал, полученный в предыдущий период, позволил ученым-мерзлотоведам его детально проанализировать. Крупным обобщением геокриологических материалов явились следующие работы: 5-томная монография «Геокриология СССР» (1988-1989) и  «Геокриологическая карта СССР» масштаба 1:2 500 000 (1997); вышли в свет    шесть томов  монографии «Основы геокриологии», подготовленные учеными Московского государственного университета, включающих в себя: «Физикохимические основы геокриологии» (1995); «Литогенетическая геокриология» (1996); «Региональная и историческая геокриология Мира» (1998); «Динамическая геокриология» (2001); «Инженерная геокриология» (1999); и «Геокриологический прогноз и геоэкология» (2002).

Нужно отметить, что ни одно более или менее крупное строительство в криолитозоне не начинается без проведения предварительных мерзлотно-гидрогеологических изысканий и составления геокриологического прогноза.

             В конце 60-х годов началось плодотворное международное сотрудничество мерзлотоведов, которое выразилось в обмене опытом исследований и результатами работ на научных конференциях. Первая из них была проведена в 1963 г. (США, Лафейт).

Таким образом, во второй половине прошедшего столетия геокриология стала общепризнанной быстро развивающейся наукой.  Начало XXI века ознаменовалось новым импульсом развития геокриологических исследований, проводимых в нефтегазовом комплексе, при строительстве горнорудных комбинатов, магистральных автомобильных и железных дорог, а также в связи с требованиями охраны природной среды.

1.3. Структура современной геокриологии, ее связь с другими науками

                 Геокриология – наука геологического цикла, она связана со многими разделами геологии: литологией, гидрогеологией, тектоникой, четвертичной геологией, геофизикой и пр. В то же время мерзлая зона литосферы формировалась при определенных физико-географических условиях, существующих на поверхности Земли, поэтому геокриология должна использовать достижения метеорологии, гидрологии, океанологии, гляциологии и др. наук географического профиля. Практические направления геокриологии связаны с запросами промышленного и гражданского строительства, вследствие чего она использует методы технических и физико-математических наук.

               В настоящее время развитие геокриологии осуществляется по следующим основным направлениям:

- Физика, химия и механика мерзлых пород;                                                                                     - Динамическая геокриология;                                                                                     - Литогенетическая геокриология (или криолитология);                                                                                                                               - Региональная и историческая геокриология;                                                                                               - Инженерная геокриология;                                                                                                        - Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны;                                                 - Планетарная криология.    

                                                                                                                                                        Физика, химия и механика мерзлых пород. Задачей этого направления является изучение закономерностей протекания физико-химических, механических и теплофизических процессов в мерзлых, промерзающих и оттаивающих горных породах. Физика, химия и механика мерзлых пород в целом является важнейшей теоретической базой для всех других направлений.

Динамическая геокриология изучает тепловое состояние Земли и факторы, влияющие на его изменение. Прямой задачей динамической геокриологии является рассмотрение процессов, приводящих к формированию сезонно- и многолетнемерзлых пород. Разработка термодинамических и теплофизических основ формирования мерзлых толщ базируется на изучении теплообмена в системе «атмосфера – литосфера», радиационного и водно-теплового балансов, температурного режима и фазовых переходов влаги, содержащейся в горных породах. Другой важной частью динамической геокриологии является изучение и прогнозирование мерзлотно-геологических (геокриологических) процессов, выявляемых при региональных исследованиях.

Литогенетическая геокриология (криолитология) 

Основные задачи этого научного направления: исследование вещественного состава и структурно-текстурных особенностей мерзлых пород и льдов; выявление на основе мерзлотно-фациального анализа особенностей и закономерностей формирования различных генетических типов мерзлых отложений.

Региональная и историческая геокриология изучает зональные и региональные закономерности формирования и распространения мерзлых пород; особенности их распространения по площади и в разрезе; криогенное строение, мощность и температурный режим мерзлых толщ и подземных льдов; влияние на их образование многолетних колебаний климата, ландшафтногеоморфологических и геологических условий; развитие и существование геологических процессов и явлений. Наряду с криолитологами специалисты рассматриваемого направления занимаются выяснением истории возникновения и развития мерзлых толщ в отдельном регионе и на всей планете в целом.

Инженерная геокриология представляет собой раздел практической геокриологии, она занята инженерно-геологическим обеспечением проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений в криолитозоне; разрабатывает наиболее надежные и экономически выгодные решения при хозяйственном освоении территории.

  Геокриологический прогноз и геоэкология криолитозоны. Задачами этого направления являются выяснение характера взаимодействия объектов строительства и мерзлых пород, устойчивости компонентов природной среды к влиянию изменяющихся естественных и антропогенных факторов. В настоящее время геокриологический прогноз является обязательной составной частью исследований мерзлых пород для целей строительства, поскольку фазовые переходы воды в грунтах резко меняют их физико-механические свойства. Усиливающиеся техногенные нагрузки на природную среду ведут к существенному негативному изменению геокриосистем.                                                                                                                        

Криолитозона очень уязвима в экологическом отношении, а восстановление природных ландшафтов в условиях Севера происходит весьма медленно.

Последствия антропогенного воздействия на криолитозону в ряде случаев имеют слабо предсказуемый и трудно контролируемый характер, поэтому требуют безотлагательного решения сложных экологических  задач.

Криология планет – одно из самых молодых направлений геокриологии, оно зиждется на достижениях астрономии и космонавтики. Познание закономерностей развития криогенных оболочек планет солнечной системы, состоящих не только из водного, но и углекислотного и метанового льда, облегчит человеку познание криогенной оболочки Земли

2.Современные представления о многолетней мерзлоте                                                                                                                                                        

2.1.Современные представления о возникновение                                                                     и развитие многолетнемерзлых пород.                                                                                       

          Многолетнее промерзание горных пород начинается в случае, если их среднегодовая температура на подошве слоя сезонного промерзания переходит через ноль градусов в сторону отрицательных значений. В недавнем геологическом прошлом, в конце позднего плейстоцена, климат Земли в северном полушарии был очень суровый, намного холоднее современного, поэтому тогда на огромных территориях существовали благоприятные условия для глубокого промерзания недр. В голоцене наступило потепление, особенно ощутимое в середине периода, и криолитозона стала сокращаться как по площади, так и в разрезе, т.е. началась деградация мерзлоты.

Впервые теория деградации мерзлых толщ обосновывалась в работах М.И.Сумгина, который сделал вывод о том, что многолетняя мерзлота возникла в периоды крупных оледенений и поэтому должна сокращаться вслед за таянием ледников. В подтверждение этому им приводились данные о смещении южной границы многолетнемерзлых толщ к северу.

Однако уже к середине прошлого века появились данные о новообразовании мерзлых толщ и понижении температуры горных пород. Такие ученые, как П.И.Колосков, С.Г.Пархоменко, Д.В.Редозубов и др., придерживались противоположной М.И. Сумгину точки зрения и предполагали усиление (аградацию) мерзлоты. Связан этот процесс, по мнению авторов, с современным похолоданием, которое началось несколько тысячелетий тому назад.

2.2. Состав мерзлых дисперсных (осадочных) пород  

Породы без жестких связей являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в которые входят следующие составляющие:

1) скелет (минеральный и органо-минеральный);                                                                      2) твердая фаза воды;                                                                                                                        3) жидкая фаза воды;                                                                                                                     4) газообразная  составляющая (пар и газы).

 Скелет  мерзлых осадочных отложений состоит преимущественно из минеральной части, а в почвах и биогенных породах – в значительной степени или практически полностью (торф) из органических частиц.

         Органическое вещество  в мерзлых отложениях может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения – гумуса. Широко распространены в криолитозоне торфяные отложения, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения, недостатка кислорода и низких температур.

     Лед является важнейшим породообразующим минералом в мерзлой породе. Этот лед называется подземным, несмотря на характер залегания. Все виды льда в горных породах можно объединить в четыре основные группы.

Конституционный, или текстурообразующий лед, являющийся основным элементом, формирует текстуру мерзлой породы. Он может находиться в порах и быть невидимым невооруженным глазом, а может залегать в виде включений, прослоек, линз и пр.  

Инъекционный лед образуется при замерзании подземных вод, внедрившихся в породу под давлением. Он встречается в виде интрузий (гидролакколиты) и пластов на небольших, как правило, глубинах от поверхности. Размеры залежей инъекционного льда могут достигать в плане тысяч м2.

Повторно-жильный лед образуется при многократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин с отрицательной температурой стенок. Он имеет клиновидную или столбчатую форму в поперечном разрезе. Размеры жил по вертикали составляют от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, в плане – до 3-5 м.

Пластовые льды встречаются на глубинах до 100 и более метров. Это крупные скопления иногда совершенно чистого без грунтовых примесей льда мощностью от 0,5 до нескольких десятков метров. Природа их различна.

                     Жидкая фаза воды в мерзлых породах является весьма динамичным и важным компонентом, определяющим ее свойства. Вода в порах породы может  находиться как в свободном,  так  и связанном состоянии. Пресная свободная вода замерзает при температуре 00С, но с увеличением минерализации температура начала замерзания понижается:  примерно 1 град. на каждые 18-20 г/л минерализации. Практически всегда в горной породе присутствует вода в виде пара.

 Количество воды, перешедшей в лед в горной породе, определяет величину пучения, поскольку масса воды при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9%.

2.3. Снежный покров, его влияние на многолетнюю мерзлоту

Снежный покров формируется практически повсеместно в районах, где встречаются мерзлые породы. Влияние его на радиационно-тепловой баланс поверхности весьма велико и многообразно.

 Прежде всего, снег увеличивает альбедо дневной поверхности, повышая ее отражательную способность в несколько раз. Это приводит к уменьшению поглощения лучистой энергии, и к понижению средних годовых температур пород. Кроме того, к существенному сокращению приходной части теплового баланса приводят затраты тепла на таяние снега и частичное испарение талых вод. Тающий снег в течение некоторого времени поддерживает на поверхности нулевую температуру, что препятствует прогреванию почвы, несмотря на положительную температуру воздуха. Отсюда следует охлаждающее влияние снежного покрова.

 В то же время снежный покров, обладающий малой теплопроводностью, как теплоизолятор, предохраняет почву от зимних теплопотерь и выступает как отепляющий фактор. Чем выше теплоизоляционные свойства снега в зимний период, тем больше его отепляющее влияние на почвогрунты.  

Таким образом, главными факторами, определяющими влияние снежного покрова на температурный режим поверхности, являются высокое альбедо и теплоизолирующая роль снега.

2.4. Растительность, ее влияние на многолетнюю мерзлоту

         Растительность, находясь на границе атмосферы с литосферой, значительно влияет на обмен тепла и влаги между ними, а в конечном итоге и на температурный режим горных пород.

 В общем случае растительный покров предохраняет почву от зимнего охлаждения и препятствует ее летнему прогреванию, сокращая амплитуды колебания температуры на поверхности.

 Мерзлые толщи и растительность, развиваясь во времени, реагируют на изменение друг друга. Растительные сообщества во многих случаях являются хорошими индикаторами состояния почвы, и это обстоятельство широко используется при мерзлотной съемке.

Часто уничтожение растительности приводит к повышению летних температур горных пород и глубины сезонного протаивания, что способствует усилению криогенных процессов, в первую очередь термокарста, термоэрозии и заболачиваемости.

2.5. Рельеф местности, экспозиция и крутизна склонов

Увеличение высоты местности приводит к понижению температуры воздуха. Средний градиент понижения температуры воздуха в тропосфере составляет, примерно, 0.5-0.6º на каждые сто метров подъема. В связи с этим понижается и среднегодовая температура поверхности почвы. С высотой меняется количество атмосферных осадков, условия накопления снежного покрова, влажность почвы, видовой состав растительности и т.д., т.е. происходит изменение всех классификационных показателей сезонного промерзания (оттаивания) горных пород в основном в сторону повышения суровости мерзлотных условий.  Во многих низкогорных районах Сибири и Якутии в зимний период наблюдается инверсионное распределение температуры воздуха с высотой. В период антициклональной погоды холодный тяжелый воздух застаивается в долинах, а с высотой наблюдается потепление. Это явление наблюдается, как правило, до высот 900-1000 м, а выше идет нормальная стратификация температуры. Поэтому на невысоких водоразделах в зимний период температура воздуха оказывается на 3-5º выше, чем в долинах.  Влиянием инверсии некоторые исследователи объясняют существование таликов в указанных районах.

 В условиях расчлененного рельефа (и не только в горах) важное значение в формировании температуры грунтов и глубины сезонного промерзания (оттаивания) имеет экспозиция склонов. Склоны южной экспозиции (склоны долин смотрят на юг) летом получают значительно больше лучистой солнечной энергии, чем северные.

  Влияние рельефа на формирование мерзлотных условий территорий  сказывается не только на местном, но и на региональном уровне. Горные хребты во многом определяют континентальность климата огромных территорий, препятствуя атмосферному переносу влаги с океанов во внутренние части материков. Верхоянский и Становой хребты встают на пути влажных ветров с Тихого океана в Восточную Сибирь и Якутию, а Уральские горы, хотя и небольшие по высоте, сокращают количество атмосферных осадков в Западной Сибири по сравнению с Восточной Европой.  

3.Криогенные (мерзлотные) геологические процессы и явления 

Криогенными (мерзлотными) процессами называются экзогенные геологические процессы, которые обусловлены сезонным и многолетним промерзанием и оттаиванием увлажненных рыхлых горных пород, охлаждением мерзлых пород и замерзанием подземных вод

 Криогенные процессы приводят к формированию различных криогенных образований (явлений), которые находят свое отражение в рельефе поверхности, геологическом строении рыхлых четвертичных отложений.

По основным ведущим факторам природной среды все криогенные процессы можно условно разделить на четыре основные группы: собственно криогенные, склоновые, водные и эоловые. Первая группа процессов характерна в основном для районов криолитозоны и глубокого промерзания горных пород, а другие имеют аналоги за ее пределами. Рассмотрим основные криогенные процессы.

3.1. Морозное пучение дисперсных пород

Морозное пучение отложений обусловлено увеличением объема влаги при промерзании. Величина пучения грунтов зависит не только от количества содержащейся в них воды, но и от температурного режима и условий промерзания. Процесс морозного пучения широко распространен в криолитозоне и в районах с глубоким промерзанием пород. Обычно наблюдается два вида процесса: без притока влаги извне (закрытая система) и с миграцией влаги (открытая система). Наибольшие деформации пучения пород происходят в условиях открытой системы при малых скоростях промерзания. К сильно пучинистым грунтам относятся влагонасыщенные пылеватые пески, супеси и легкие суглинки. Различают площадное и локальное пучение грунтов.  

В области криолитозоны широко развит процесс выпучивания столбов и свай, что приводит к деформациям линейных сооружений. Последовательность стадий выпучивания столба следующая. Первая стадия процесса соответствует началу интенсивного  промерзания грунтов. Силы сцепления грунта с поверхностью столба тем выше, чем ниже температура среды. При подъеме поверхности за счет пучения верхний слой грунта увлекает за собой столб, вытаскивая его из талых пород. Этот процесс движения тела вверх сопровождается образованием под столбом полости (вторая стадия).  Третья стадия процесса соответствует полному промерзанию СТС и закрытию полости льдом или сильно льдистым грунтом. В начале лета силы смерзания грунта со столбом постепенно сверху вниз исчезают, грунт оседает, а столб остается приподнятым, так как его движению вниз мешают еще не оттаивающие на глубине слои. После завершения летнего протаивания столб немного осядет, но возвратиться на свое прежнее место уже не сможет. В результате через несколько лет действия процесса пучения столб окажется мало заглубленным в грунт и не сможет выдержать даже ветровую нагрузку. Выпучивание столбов и фундаментов наблюдается и в районах сезонного промерзания

Заметнее всего в рельефе проявляется локальное пучение (бугры). В природных условиях появление бугров пучения может быть вызвано как сезонным, так и многолетним промерзанием грунтов. Сезонные бугры пучения могут формироваться за счет подземных вод СТС; в этом случае  высота их невелика и редко превышает несколько десятков дециметров. Довольно крупные бугры пучения образуются на участках разгрузки подземных вод  всевозможных таликов. Размеры таких бугров весьма внушительные: высота достигает 5-6 м, а диаметр в основании – 20-50 м и более. Наибольших размеров достигают многолетние бугры пучения. Основные причины их образования две: внутригрунтовое выдавливание воды или разжиженного грунта под действием криогенного напора и длительная миграция подземной  влаги к фронту промерзания. В связи с этим выделяют миграционные и инъекционные бугры пучения. Выделить основную причину, приводящую к формированию бугра не всегда возможно. Миграционные бугры пучения (классический пример) формируются на участках развития торфяников, температура которых ниже, чем окружающих минеральных пород. В начальный период промерзания отложений (новообразование мерзлоты), в условиях открытой системы, к подошве мерзлой толщи мигрирует и замерзает влага, увеличивая тем самым объем  и высоту бугра.

С приподнятой поверхности бугра зимой снег сдувается, что еще больше способствует процессу промерзания грунтов. Скорость роста таких бугров пучения в Западной Сибири) в начальный этап составляет 1030 см/год, а затем, по мере роста многолетнемерзлого ядра и увеличения самого бугра, уменьшается до 1-2 см/год. Эти бугры достигают высоты 20 метров, а диаметр в основании составляет  сотни метров.  

Многолетние инъекционные бугры пучения, образующиеся в условиях закрытой системы, связаны в основном с многолетним промерзанием несквозных водоносных подозерных таликов. В Республике Саха (Якутия) эти бугры носят название булгунняхи, а за рубежом – пинго.

Причиной промерзания подозерных таликов является обмеление или осушение озер. При промерзании несквозного замкнутого талика в нем возникает криогенный напор, в результате которого мерзлая кровля в наиболее слабом месте выгибается, образуя многолетний бугор пучения с ядром из инъекционного льда.   Промерзание талика и соответственно рост бугра пучения растягивается на многие десятки и сотни лет и внедрение воды в растущий булгуннях происходит многократно. Параллельно с инъекцией воды может наблюдаться и сегрегационное льдовыделение, в виде шлиров и прослоев льда. Размеры булгунняхов зависят от количества воды в замкнутой системе и могут достигать в высоту 30-40 м и по основанию – сотни метров.  

В местах разгрузки различного типа подземных вод в области криолитозоны также формируются инъекционные бугры пучения, которые принято называть гидролакколитами. Причиной их образования является изменение гидродинамического напора подземных вод. Как правило, гидролакколиты разрушаются в течение летнего сезона, но встречаются и такие, которые формируются в течение одного зимнего периода, а разрушаются на протяжении нескольких  лет.  Такие  бугры  зафиксированы  в  Центральной  Якутии,   у   подножия склонов, где развиты надмерзлотные радиационно-тепловые талики.

 3.2. Морозобойное растрескивание и полигонально-жильные образования

Морозобойное растрескивание обусловлено процессами температурного сжатия–растяжения в массиве горных пород, которые могут приводить к деформациям последних. После того как вся вода в верхней части геологического разреза за счет его промерзания перейдет в лед и закончится пучение пород, массив продолжает остывать, в результате чего он сокращается в объеме.  Возникающие в нем температурные напряжения могут привести к разрыву мерзлой породы в том случае, когда они превысят временное сопротивление породы на разрыв.  

Наиболее широко морозобойное растрескивание проявляется на влажных глинистых и суглинистых грунтах и торфах. В мерзлом массиве достаточно больших размеров при соответствующих температурах возникающие напряжения, в конце концов, превысят сопротивление породы на разрыв, и в ней образуется трещина. Появление свободной вертикальной поверхности уменьшает напряжения в массиве вблизи трещины, но они постепенно возрастают на удалении от нее. В однородном массиве напряжения нарастают равномерно, и поэтому вторая трещина будет параллельна первой. Таким образом, первый разрыв (появление свободной вертикальной поверхности) определяет направление последующих.

 В природных условиях роль первой трещины играют естественные границы рельефа: уступ террасы, обрывистый берег реки и пр.  Поэтому первые трещины (трещины первой генерации) часто повторяют изгибы береговой линии рек и уступы надпойменных террас.  За счет формирования трещин первой генерации несколько уменьшаются напряжения в массиве пород между трещинами. Формирование трещин второй генерации начинается позднее и происходит перпендикулярно первым трещинам, а расстояние между разрывами внутри блоков будет выше.

Таким образом,  однородный массив мерзлого грунта разбивается в плане на прямоугольную сетку − полигоны, короткие стороны которых образовались позднее длинных. Если массив мерзлых горных пород неоднородный, то возникают полигоны различной формы, в которых сохраняются указанные закономерности. Образование трещин способствует охлаждению массива.

Морозобойные трещины могут на несколько метров проникать достаточно глубоко в горные породы. Ширина морозобойных трещин на поверхности массива пород может достигать 5-10 см и более. Морозобойное растрескивание грунтов на обширных участках северных равнин дает начало многим криогенным процессам и явлениям.

3.3.Термокарст

Термокарстом называется процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся просадкой земной поверхности – котловинами, которые называются термокарстовыми. В Западной Сибири у них есть собственное название – хасырей, а в Якутии – алас.

Толчком к началу процесса служит такое изменение теплообмена на поверхности почвы, при котором глубина протаивания начинает превышать глубину залегания подземных льдов или мерзлых грунтов. Это может быть обусловлено как  природными факторами: потеплением или усилением континентальности климата, увеличением количества осадков, подтоплением территории, сменой растительности и т.д., так и антропогенным воздействием. Иногда даже небольшое нарушение почвенно-растительного покрова приводит к бурному развитию термокарста. При площадных нарушениях почвенно-растительного покрова глубина протаивания грунтов увеличивается в разы (иногда в два-четыре раза).

В процессе термокарста формируется специфический рельеф. Формы его в значительной мере зависят от вида и особенностей распространения подземных льдов. Протаивание мерзлых толщ, содержащих инъекционные и сегрегационные льды или различные типы погребенных льдов, обычно ведет к образованию различных локальных термокарстовых воронок, котловин. Если вытаивают преимущественно жильные льды, то рельеф приобретает  полигональный характер с провальными озерами и западинами. При вытаивании ледяных жил и наличии оттока воды из понижения на участке термокарста наблюдаются останцы малольдистых относительно прочных пород, называемые байджерахами.  

Несмотря на различие форм термокарстовых понижений, все они имеют, как правило, округлые очертания. Термокарст развит во всех районах криолитозоны. На севере Западной Сибири он наблюдается главным образом на участках распространения льдистых морских отложений, содержащих пластовые залежи подземных льдов, в условиях повышенной увлажненности территории. Термокарстовых озера  в этом регионе достигают внушительных размеров – многие километры в поперечнике и  глубиной  несколько метров. В Центральной Якутии, где климат резко континентальный и осадков выпадает мало, термокарст развит так же широко, но большинство сформировавшихся озер находятся в стадии усыхания. Это свидетельствует о том, что в недалеком прошлом термокарст развивался достаточно интенсивно, а сейчас находится в стадии затухания. Наблюдающееся в последние десятилетия потепление климата пока не отразилось в усилении термокарстовых процессов из-за малого количества влаги, хотя предпосылки для этого имеются.

Таким образом, наличие сильно льдистых грунтов является необходимым условием для начала процесса термокарста.

3.4. Наледеобразование

Наледями называются ледяные тела плосковыпуклой формы и различных размеров, формирующиеся зимой в результате многократного излива подземных, речных, озерных и морских вод на поверхность земли или льда и послойного их  замерзания.

Для образования наледей необходимо наличие водоупора и низких отрицательных температур воздуха, поэтому они нередко встречаются и за пределами многолетней криолитозоны, в условиях континентального климата. Однако наиболее широко они распространены именно в ее пределах, где водоупором является кровля многолетнемерзлых пород.  

Наиболее часто наледи образуются в горно-складчатых областях (Верхояно-Чукотская, Становая и др.), где существует  высокая степень водообмена между поверхностными и подземными водами. В естественных природных условиях в равнинных местностях наледи встречаются реже (Центральная Якутия) или совсем редко (север Западной Сибири).  

В генетическом отношении различают наледи поверхностных вод, подземных вод и смешанного происхождения. Характером питания, а также климатическими условиями определяются режим формирования наледей и их размеры.  Вода, которая формирует наледь, может выходить на поверхность в результате естественной разгрузки подземных вод, отжатия воды из промерзающих отложений или в результате сужения живого сечения речного или подруслового потока вследствие его промерзания. Нередко причиной появления наледей становится хозяйственная деятельность человека (техногенные и искусственные наледи).

 Сезонное промерзание, сужающее живое сечение поверхностных и подземных потоков воды, приводит к тому, что вода, приобретая напор, разрывает кровлю из мерзлого грунта или льда и, растекаясь тонким слоем по дневной поверхности, замерзает. В результате излияния воды напор в системе падает, и нарушенная кровля вновь начинает восстанавливаться.

Количество циклов излияния–замерзания в течение зимы может достигать нескольких десятков, в результате чего формируется слоистое ледяное тело. В зависимости от водообильности наледеобразующего источника и метеорологических условий меняется размеры и мощность единичных слоев льда. Причем колебание зимних температур воздуха сказывается главным образом на размеры наледей южной геокриологической зоны, где выше, как правило, мощность снежного покрова,  температура пород и короче зима. Например, в районе Станового хребта, в бассейнах рек Чары и Токко, площади отдельных крупных наледей из года в год отличаются в несколько раз. В Центральной Якутии размеры наледей  определяются в первую очередь дебитом источника, поскольку для замерзания воды холода хватает. Однако, и там площадь наледей в «мягкие» зимы больше, чем в суровые, – вода успевает растекаться на большие расстояния, объем при этом мало меняется.

 Размеры наледей варьируют в больших пределах: площади их изменяются от нескольких квадратных метров до десятков квадратных километров, а объемы могут достигать млн. м3 (гигантские наледи). Самой большой наледью на Земном шаре считается «Момский Улахан-Тарын», которая формируется на притоке р.Индигирки (Верхоянский хребет). Ее площадь в отдельные годы достигает 80 км2, а объем – 200 млн. м3. Чтобы представить такое количество льда, можно мысленно выстроить из него дорогу от места формирования наледи до Москвы через Тюмень. Получится трасса шириной 20 м и толщиной ледяного полотна около 1,5 м.  

Всего в рассматриваемом регионе насчитывается более 10 тысяч наледей суммарной площадью около 14 тыс. км2, в которых ежегодно аккумулируется до 30 км3.

Максимальные мощности наледного льда также изменяются в больших пределах – от нескольких десятков сантиметров до 7-10 м. Лед большой мощности часто не успевает растаять за летний период, и тогда отдельные части наледи переходят в следующую зиму (перелетовывают), а иногда сохраняются много лет. Нарастание максимальной мощности льда из года в год  не происходит из-за того, что наледь формируется на более низких отметках. В горных районах с суровыми климатическими условиями и широким развитием склоновых процессов часто происходит захоронение наледного льда, образующие его пласты могут сохраняться многие годы.

Наледеобразование, широко распространенное в природе, оказывает негативное воздействие на строительство и эксплуатацию инженерных объектов. Интенсивное наледеобразование впервые проявилось при строительстве Транссибирской железнодорожной магистрали. Причем, в период инженерногеологических изысканий наледей было выявлено немного, их количество резко возросло после возведения насыпи, т.е. при интенсивном нарушении естественных природных условий. В результате создания дорожной насыпи были перекрыты пути стока подземных вод, воздвигнуты (непроизвольно) мерзлотные барьеры, изменены условия снегонакопления, составляющие радиационно-теплового баланса и пр.

Затраты на противоналедную борьбу в первые годы эксплуатации железной дороги превысили всю смету расходов на содержание путей. Широкомасштабные исследования влияния наледей на инженерные сооружения впервые выполнены В.Г.Петровым в начале 30-х годов прошлого века в Южной Якутии, где он изучал притрассовые наледи вдоль Амуро - Якутской автогужевой магистрали. На относительно коротком участке трассы от пос. Соловьевск (Амурская область) до пос. Беркакит (Республика Саха Якутия) им было обследовано около 120 наледей, многие из которых выходили на дорогу, затрудняли движение транспорта и разрушали земляное полотно (в среднем  одна наледь на 3 км). В.Г.Петровым под руководством М.И.Сумгина были разработаны и успешно применялись методы противоналедной борьбы, которые условно подразделялись на: а) пассивные − преимущественно сезонные и б) активные – долговременные (постоянные). К первым относятся: отвод наледных вод по канавам во льду и пропуск их под мостовые переходы; удаление льда механическим (или ручным) способом; устройство ограждающих стенок из дерева или камня; устройство сезонных обходов наледных участков на автодорогах и пр. Применение описанных методов не требует специальной подготовки инженерного состава. К активным методам можно отнести постоянные защитные мероприятия: строительство подземного дренажа, отводящего подземные воды на безопасное расстояние от защищаемого сооружения; устройство мерзлотных поясов, вызывающих наледеобразование значительно выше по склону; поднятие дорожного полотна на высоту, исключающую наледное воздействие; уширение выемок на наледных участках; подогрев наледеобразующих вод и др.

 Немало сил и средств было затрачено на борьбу с наледями строителями Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ), несмотря на имеющийся опыт борьбы с наледями на дорогах. На одном из восточных участков БАМа, где наледь перекрывала железнодорожные рельсы, приходилось постоянно скалывать лед, а когда это не помогало, то на наледь укладывали новые шпалы с рельсами и так до высоты 4-х метров. При этом замена пути проводилась на расстоянии многих сотен метров. Проходка тоннеля «Нагорный» на юге Якутии (Малый БАМ) также сопровождалась наледеобразованием. Хотя объем ее не превышал 5 тыс. м3, а дебит наледеобразующего источника был менее 0,5 л/с, весь лед приходилось резать на куски и вывозить самосвалами за пределы выемки. Сметная стоимость противоналедных мероприятий по этому тоннелю превышала 0.5 млн. советских рублей.

Образование наледей весьма коварный процесс и требует к себе пристального внимания специалистов. Однако следует отметить и положительную роль наледей. В суровых условиях криолитозоны по интенсивности наледеобразования и размеру наледей гидрогеологи довольно точно определяют ресурсы подземных вод. На наледных реках в засушливый летний период (летняя межень) сток поддерживается в значительной степени за счет таяния наледей. Причем, наледная вода имеет низкую минерализацию, поскольку основная масса солей ушла в реки во время паводка.

 Во многом принцип наледеобразования используют строители зимних ледовых переправ через крупные северные реки, что позволяет на 1-1.5 месяца увеличить срок эксплуатации зимников. Крупные наледи формируют собственный микроклимат, благоприятный как для людей, так и животных: зимой в суровые морозы на наледи теплее, чем на удалении от нее, а летом, в жару прохладнее, да и ветер сбивает тучи мошки и комаров, позволяя дышать чистым воздухом. Наконец, наледи в жаркий летний день – это просто красивое завораживающее зрелище.

3.5. Криогенные склоновые (гравитационные) процессы

Склоновые процессы в областях многолетней мерзлоты и глубокого промерзания пород обусловлены наличием криогенного водоупора и высокой влажностью оттаивающего слоя, которые обеспечивают высокую подвижность грунтовых отложений.

Криогенная десерпция (крип) представляет собой сползание рыхлых масс по склону в результате изменения их объема под воздействием процессов промерзания–протаивания. Сущность процесса заключается в том, что пучение породы при их промерзании происходит перпендикулярно склону, а движение частиц вниз при протаивании – по вертикали, т.е. под углом к склону меньше 90°.  В результате цикла процесса промерзания-оттаивания частица породы, лежащая на поверхности, окажется перемещенной вниз по склону. Величина смещения частиц уменьшается к подошве слоя протаивания. Сползание отложений будет больше на крутых склонах по сравнению с пологими.

  В суровых условиях резко континентального климата движение частиц происходит и в течение суток: ночью – промерзание, днем – оттаивание.

Результатом криогенного сползания и одновременной дифференциации мелкоземистого и щебнистого материала является наличие на склонах различных структурных грунтов, а при выносе водой мелкозема – каменных скоплений.

На склонах, сложенных скальными породами, накопление щебнистоглыбовых отложений принято называть курумами. Развитие курумов включает ряд процессов, приводящих к дроблению каменного материала, движение его по склону и накопление на пониженных участках рельефа: физическое выветривание, криогенную (и температурную) десерпцию, подповерхностный смыв, сползание глыб и пр.

Курумы приурочены к склонам крутизной от 3-5 до 25-30°. Они могут располагаться на обширных каменистых склонах, образовывать каменные потоки, слагать обширные каменные поля. При накоплении «критической» массы крупноглыбовые отложения приходят в движение и сползают вниз по склону.  Этому процессу могут способствовать резкое увеличение количества атмосферных осадков в горных районах или землетрясения в сейсмически активных зонах. Поэтому строительство сооружений на курумах, в первую очередь железных дорог, чревато катастрофами.

Солифлюкция. Так называется процесс вязкого и вязкопластичного течения дисперсного материала, пропитанного водой, вниз по склону. Ее развитию способствует наличие мерзлого субстрата и накоплению на нем воды, которая не может уходить вглубь отложений. Солифлюкция может развиваться как на задернованных склонах, так и на почти ровных аккумулятивных поверхностях; развивается она чаще всего в пылеватых грунтах и супесях. Интенсивность солифлюкции зависит от крутизны склона, глубины оттаивания пород, состава отложений, количества атмосферных осадков и пр. Максимальная мощность отложений, накапливающихся в результате этого процесса, наблюдается в нижних частях склонов. Различают два вида солифлюкции: покровную (аморфную) и дифференциальную (структурную). Первая представляет собой медленное вязко пластичное течение переувлажненных дисперсных пород, захватывающее весь оттаивающий слой. Этот вид солифлюкции характеризуется скоростями до 10 см/год и проявляется на склонах средней крутизны. Основной особенностью этого вида солифлюкции является то, что движение материала происходит без существенного нарушения внутреннего строения грунта.

Дифференциальная солифлюкция, в отличии от покровной, хорошо выражена на местности в виде характерных форм микро- и мезорельефа: солифлюкционные языки, террасы, полосы и пр.

Механизм структурной (по Г.Ф.Гравису) солифлюкции обусловлен сочетанием следующих процессов:  

1) выдавливание грунтовой массы на поверхность при неравномерном промерзании достаточно мощного переувлажненного слоя грунта;

 2) перемещение в связи с этим грунтовой массы, зажатой между мерзлыми слоями вниз по склону;

 3) оплывание грунтовой массы, выдавленной на поверхность.  Развитие такого вида солифлюкции возможно на очень пологих склонах.

В пределах криолитозоны наряду с рассмотренными видами выделяют также быструю солифлюкцию (сплыв), обусловленную вязким течением оттаивающих дисперсных грунтов по склонам значительной крутизны.

Скорости течения грунта при сплыве могут достигать нескольких метров в минуту, при этом происходит нарушение его структуры. Нередко сплывы проявляются на склонах горных выработок, карьерах.

3.6. Термогидрогенные процессы

Развитие этой группы процессов вызвано механическим и тепловым воздействием на мерзлые и оттаивающие породы водных масс рек, ручьев и водоемов, а также талых снеговых вод. Здесь можно выделить следующие процессы:

термоэрозия − действие временных и постоянных водотоков на горные породы;

термоабразия − разрушение берегов водоемов за счет механической и тепловой энергии волн; плоскостной смыв – вынос дисперсного материала дождевыми и талыми водами;

нивация – разновидность плоскостного смыва, обусловленного таянием снежников.  

Водные массы рек и ручьев производят большую эрозионно-аккумулятивную работу на всей территории суши, формируя облик речных долин. Разрушение берегов текучими водами происходит за счет донной и боковой эрозии. В криолитозоне боковая эрозия, как правило, преобладает над глубинной, чему способствует высокая льдистость четвертичных отложений, разрушающихся как под действием механической и тепловой энергии воды, так и за счет солнечной радиации.

Поступающий в водотоки материал с берегов и  склонов превышает транспортирующую способность воды, перегружает ее русло, и река еще больше мигрирует в сторону и подрезает берег. В результате миграции потока возникает большое количество меандр и стариц.

Весьма существенной в области криолитозоны является деятельность временных водотоков, которая приводит к образованию оврагов на склонах долин. Овраги формируются в условиях расчлененного рельефа, где имеются условия для концентрации мелких ручейков в единое русло, в период интенсивных дождей.

 Антропогенное нарушение растительного покрова способствует образованию эрозионных форм. Наблюдения на участках газопроводов показывают, что термоэрозионные процессы интенсивно развиваются по колеям временных автодорог. Причем нарушения наблюдаются на весьма пологих склонах, крутизной несколько градусов, и в период снеготаяния.

 В Центральной Якутии, например, на участке газопровода-отвода на Покровск, за 20 с лишним лет эксплуатации дважды наблюдалась активизация термоэрозионных процессов, вызванная талыми водами. Образовавшиеся при этом крупные овраги представляли угрозу разрыва газовой трубы. Что интересно: запасы воды в снежном покрове не превышали средних многолетних значений – 50-60 мм, но весна была поздней, дружной и снег стаивал  буквально за два дня. По колее временной дороги бежал ручей с расходом 25-30 л/с, который создал овраг глубиной до 3-х и длиной до 300 м. В летние периоды были времена, когда за сутки выпадало более 40 мм осадков, однако это не привело к оврагообразованию. Дело в том, что дождевая вода просачивается в грунт, а талая не может этого сделать из-за существования мерзлого экрана.

Процесс термоабразии широко развит в криолитозоне по берегам морей, озер и водохранилищ. Наиболее активным он оказывается, когда в берегах обнажаются льдистые отложения и подземные льды. Интенсивность термоабразии слагается из механической и тепловой энергии волны, чем сильнее ветер и больше длина разбега, тем выше волна и ее энергия. Термическое воздействие ее на берега усиливается при повышении льдистости рыхлых отложений. Под действием волн в берегах образуются глубокие ниши, а сами берега становятся крутыми, почти вертикальными. Со временем мерзлые отложения, нависающие над нишами, обрушаются и размываются водой. При значительной льдистости отложений и мелкодисперсном их составе устойчивая береговая отмель долго не образуется, так как на ней не происходит накопления твердых осадков. Скорость отступания берегов за счет термоабразии составляет обычно несколько метров в год, достигая на отдельных участках северных морей 20 и более м/год. Имеются данные, которые указывают, что в после ледниковый период на берегах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского скорость отступания берегов достигала сотен метров в год. Одновременно с термоабразией в теплый период происходит оттаивание льдистых отложений под действием инсоляции (термоденудация), что еще больше усиливает процесс разрушения берегов.

В Западной Сибири процессы термоабразии изучались на п-ове Ямал (Григорьев, 1987). Наблюдения показали, что средняя скорость отступания суши составляет 3 м/год. Из-за этого многие строения оказались разрушены или близки к аварийному состоянию. Интенсивное освоение Ямала в настоящее время требует применение эффективных мер защиты различных сооружений газовых промыслов от негативного воздействия морских вод.

В породах преимущественно песчаного состава вместо плоскостного смыва наблюдается термосуффозия – вынос частиц инфильтрующейся водой и образование при этом провальных форм рельефа.

Суффозионные воронки образуются часто выше участков разгрузки подземных вод, вблизи постоянно действующих источников. В области сплошной мерзлоты наиболее ярко суффозионные процессы проявляются в Центральной Якутии, на поверхности IV надпойменной (бестяхской) террасы реки Лена. В долине ручья Улахан-Тарын цепь суффозионных воронок контролирует направление подземного стока. Размеры воронок весьма внушительны: диаметр их достигает многих десятков метров, а глубина – 5-10 м.

В северной геокриологической зоне и в горных районах широко распространены снежники, тающие нередко в течение всего теплого периода. Медленное таяние снежного покрова способствует насыщению водой пород, смыву и транспортировке мелкозема по склону. На склонах образуются своеобразные формы рельефа, обусловленные процессами нивации.

4. Влияние многолетней мерзлоты на хозяйственную деятельность человека

Вечная мерзлота – это стратегический тыл экономики России, ее топливно-энергетическая база и валютный цех. Хозяйственное значение этой области с научным названием криолитозона, трудно переоценить. 
В районах вечной мерзлоты сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. 
        Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты.
         В условиях изменения климата, ускоренных темпов освоения месторождений полезных  ископаемых  многолетняя  мерзлота  деградирует  и  оказывает,  в  свою очередь, негативные воздействия на хозяйственную деятельность.

Нефтегазовая  промышленность оказывает  следующее  влияние: снятие почвенно-растительного   покрова способствует  изменению условий   снегонакопления, изменению  условий  поверхностного и  грунтового стока при строительстве линейных сооружений, строительстве и эксплуатации временных поселков. Все это приводит к разрушению многолетней мерзлоты.

Открытый способ добычи угля, алмазов приводит к уничтожению почвенно-растительного  покрова, разрушению  территории  при  сооружении  карьеров, отчуждению природных  территорий  под отвалы  пустых  пород, сбросам загрязняющих веществ в водоемы, выбросам в атмосферу.

Гидроэнергетика изменяет микроклимат местности; происходят изменения  суточных и сезонных температур, увеличение  продолжительности  безморозного  периода. Водохранилища  затапливают  значительные  территории, происходит подпор  подземных  вод,  заболачивание  и  подтопление  местности. Абразионная переработка берегов активизирует оползни, на склонах.

Лесная промышленность вызывает прямое уничтожение лесов, что приводит к нарушению тепло - и влагообмена  между  почвой  и  атмосферой,  к изменению режима стока поверхностных и грунтовых вод, микроклиматическим изменениям.

Линейные  сооружения  приводят  к вырубке  леса,  уничтожению  мохово-травяного покрова, развитию термокарста.

На территориях промышленного освоения областей многолетней  мерзлоты  происходит  разрушение  или  нарушение  природных ландшафтов,   формирование   техногенных   ландшафтов   промышленных, транспортных,    сельскохозяйственных,    приводящих    к    значительным трансформациям многолетней мерзлоты, ее разрушению.

 Для решения экологических проблем в области промышленного освоения территорий многолетней мерзлоты необходимо учитывать ранимость природной среды. Развитие  производства должно  вестись  с  учетом  климатических, инженерно - геологических, криологических  особенностей  территорий.

Необходим  геокриологический  мониторинг  как  одно  из  направлений деятельности по сохранению природных комплексов осваиваемых территорий, в том числе и многолетней мерзлоты как важнейшего компонента ПТК.

Заключение

Почти две трети территории России занято многолетней мерзлотой, Наука, которая занимается изучением закономерностей формирования, развития и существованием во времени и пространстве мерзлых горных пород, их состава, строения, геологических процессов, связанных с отрицательными температурами, называется геокриологией. Большая мощность многолетней мерзлоты, находки в ней хорошо сохранившихся мамонтов свидетельствуют о том, что многолетняя мерзлота – продукт весьма продолжительного накопления холода в толщах горных пород. Подавляющее большинство исследователей считает ее реликтом ледниковых эпох.                 Многолетняя мерзлота развивается в условиях современного  резко-континентального климата, возвышенного рельефа.                                                                Многолетняя  мерзлота  существенно  влияет  на  климат, способствует интенсивному выхолаживанию, усиливает континентальность.                                                                                               В  условиях  многолетней  мерзлоты формируются  специфические  формы криогенного  рельефа − курумы,  солифлюкционные  террасы,  термокарстовые западины, бугры пучения, полигональные образования. На реках в области многолетней мерзлоты формируются наледи, мерзлота ограничивает грунтовое питание рек.                                Многолетняя  мерзлота замедляет процесс  почвообразования, почвы маломощны, для   них   характерен   непромывной   режим,   заболачивание.                         Формируются почвы особого типа мерзлотно-таежные.                        Растительность, животный мир также адаптированы к условиям многолетней мерзлоты, это тундра и  лиственничные леса с таежными видами животных.                Первые шаги хозяйственного освоения районов многолетней мерзлоты выявили      некоторые трудности возведения промышленных и жилых построек, проведения железных и автомобильных дорог. Трудности возникали в связи с нарушением естественного термического режима мерзлых почв и материнских пород.                                                              Мерзлотоведы разработали систему технических мероприятий, успешно предупреждающих появление нежелательных последствий.   В результате появилась возможность более уверенно осваивать районы многолетней мерзлоты. Ни одно более или менее крупное строительство в криолитозоне не начинается без проведения предварительных мерзлотно-гидрогеологических изысканий и составления геокриологического прогноза.                                                                         Начало XXI века ознаменовалось новым импульсом развития геокриологических исследований, проводимых в нефтегазовом комплексе, при строительстве горнорудных комбинатов, магистральных автомобильных и железных дорог, а также в связи с требованиями охраны природной среды.                                                                Современный климат, на большей части территории распространения мерзлоты,  способствует ее сохранению, но даже малейшие нарушения человеком  природного равновесия ведут к ее деградации.

Экономика Севера требует дополнительных затрат для обеспечения сохранности  природы в зоне многолетней мерзлоты.

Список литературы

1. Геокриология и подземные воды криолитозоны : учебное пособие / А. В. Бойцов. Тюмень ТюмГНГУ, 2011. – 178 с. Геокриология: подземные льды : учеб. пособие для бакалавриата и магистратуры /                                                                                                                            
2. В. И. Соломатин. — М. : Издательство Юрайт, 2018. — 411 с. — (Серия : Бакалавр и магистр. Академический курс).
3. Научный вестник ЯНАО № 4 (93). Экология Арктики . — № 4 (93). — Салехард, 2016. — 184 с.
4. Кудрявцева В.А. Общее мерзлотоведение (геокриология), изд. 2 [текст] /В.А. Кудрявцева. - М.: Издательство МГУ, 1978. - 464 с.
5. Малахов А.А. Краткий курс общей геологии [текст] /А.А. Малахов. - М.: Издательство «Высшая школа», 1969. - 232 с.