в условиях вечной мерзлоты

В условиях вечной мерзлоты

Россия по праву считается страной с самым суровым климатом. За исключением южных регионов, зима длится здесь до 5 месяцев в году. Кроме того, географическое положение России поспособствовало тому, что большая часть ее территорий оказалась малопригодной для проживания. Речь о так называемой зоне вечной (многолетней) мерзлоты, которая покрывает около 11 млн км 2 , или 65% площади нашей страны.

Коварный грунт

Если смотреть на карту России, то граница зоны мерзлотных земель тянется от Кольского полуострова, проходит чуть севернее Архангельска, а затем движется на юго-восток прямо к границе с Монголией. Дальше она смещается к северу и поднимается к Охотскому морю, оставляя в стороне Камчатку и Приморский край.

Средняя температура многолетнемерзлых пород, расположенных к северу от намеченной линии, составляет –9 °С, средняя глубина — около 600 м. Рекордная глубина вечной мерзлоты, 1370 м, была зафиксирована в феврале 1982 года в Якутии.

Термин «вечная мерзлота» закрепился в научном обороте благодаря первым землепроходцам, старателям и охотникам за пушниной, столкнувшимся в Сибири с крепкой как камень почвой. В одном из донесений 40-х годов XVII столетия воеводы Головин и Глебов писали государю Михаилу Федоровичу: «А в Якутском-де, государь, по рассказам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни не гаять; земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает».

Вечная мерзлота лишала поселенцев возможности выращивать в естественных условиях полезные культуры. Существуют, правда, всяческие ухищрения — например, использование речного ила, которым покрывают мерзлый грунт. Однако это очень трудоемкий процесс, а наградой за проделанную работу станут лишь мелкие и невкусные овощи вроде моркови или картофеля.

Промерзший грунт — серьезное препятствие для возведения на нем инфраструктуры, хотя в некоторых случаях люди используют его преимущества. Так, в шахтах, расположенных в зонах вечной мерзлоты, своды тоннелей поддерживаются не деревянными или металлическими перекрытиями, а мерзлым грунтом. Отработанные шахты успешно используются в качестве складов-холодильников благодаря сохранению в них постоянно низкой температуры.

Из-за своей крепости мерзлый грунт кажется прочным основанием для любой постройки, однако не следует забывать, что от 10 до 90% его состава — это лед. Как только часть верхнего слоя промерзшей земли начнет подтаивать, грунт становится рыхлым и подвижным, а покоящиеся на нем сооружения перекашиваются и трескаются.

Опасно возведение домов и на подтаявшем грунте. В случае замерзания объем грунта под фундаментом дома увеличится на 10—12%, что приведет к разрушению бетонных конструкций. Для предотвращения деформации зданий в условиях мерзлотных почв их ставят на сваи, а между грунтом и основанием дома оставляют пространство, для того чтобы изменение структуры почвы не повлияло на постройку.

Еще одна опасность мерзлых грунтов — их неспособность впитывать воду. Летом во время проливных дождей вода начинает накапливаться в верхних слоях почвы, и как только критический объем будет преодолен, она с разрушительной силой вырвется наружу. Если зона прорыва окажется под жилой постройкой, то серьезных последствий не избежать.

Тревожные симптомы

Арктические регионы России, целиком охваченные вечной мерзлотой, крайне важны для страны в экономическом и стратегическом плане. Однако в процесс освоения этих территорий вмешивается деградация почв, которую с одной стороны провоцирует глобальное потепление, с другой — техногенные воздействия. По словам экспертов Минстроя, это может привести к частичному или полному разрушению несущих конструкций зданий. Матиас Ульрих, научный сотрудник Института географии Лейпцигского университета, считает, что наиболее ярко деградация вечной мерзлоты себя проявляет в Якутии, где содержание почвенного льда в среднем составляет 80%.

Теперь по предложению Минстроя в программу развития Арктики будут включены новые регламенты строительства, учитывающие постоянно меняющееся состояние мерзлотных почв. Как заявил заместитель гендиректора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект» Александр Рязанов, новые технологии опираются на разработки исключительно российских строителей — другие приполярные страны не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как Россия.

Сегодня вытаивание подземного льда в России идет быстрее, чем несколькими десятилетиями раньше. На аэрокосмических снимках видно большое количество новых термокарстовых озер, появляющихся из-за проседания почвы. Длина некоторых из них превышает 200 м. По оценкам ученых, почва в таких местах проседает примерно на 7 см в год.

Таяние льда постепенно высвобождает залежи природного газа. На данный момент геологи насчитали в тайге около 7 тыс. метановых пузырей, которые при разрыве могут привести к образованию огромных кратеров. В 2012 году один из таких кратеров около 40 м в диаметре обнаружил ямальский охотник. По его словам, он опустил в провал 100-метровую веревку с грузом, но до дна так и не достал.

Можно себе представить, что случится, если начнет проседать и разрушаться подтаявшая почва, на которой проложены дороги, трубопроводы, выстроены заводы и самое страшное — города. Специалисты уже фиксируют частичное разрушение домов в Якутске. И процесс этот, к сожалению, невозможно остановить. По данным совместной немецко-российской группы геологов, с 2006 года повышение температуры в мерзлотных грунтах Сибири достигло 1,5—2 °С.

Очевидно, что усиливающийся процесс деградации вечной мерзлоты потребует значительного увеличения человеческих и материальных ресурсов как на поддержание существующей инфраструктуры, так и на создание новой. Все это, несомненно, приведет к удорожанию российских арктических проектов.

Таяние мерзлотных почв наносит непоправимый урон экологии планеты. Высвобождаясь из грунта, углерод подпадает в атмосферу, а это только усиливает процесс глобального потепления. По мнению ученых, в достаточно короткий по историческим меркам временной период может произойти гигантский выброс парниковых газов. Подсчитано, что в многолетней мерзлоте содержится 1500 Гт углерода, что в два раза превышает его содержание в атмосфере.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата пришла к выводу, что таяние вечной мерзлоты ускорит процесс глобального потепления примерно на 10%. По их расчетам, к 2100 году выбросы парниковых газов из мерзлоты могут поднять столбик термометра в среднем на 0,3 °С.

Еще одна опасность вытаивания подпочвенного льда — это возвращение к жизни всевозможных возбудителей давно забытых или даже неизвестных человечеству болезней. Так, после жаркого лета 2016 года на Ямале возникла эпидемия сибирской язвы — это первый случай после 1941 года, и ученые опасаются, что далеко не последний.

Вечная мерзлота. Вечная мерзлота на карте России

В этой статье мы расскажем о таком интересном явлении, как многолетняя мерзлота. Хоть ее и называют часто вечной, это на самом деле не так. Просто это название является исторически сложившимся. Она возникла в ледниковый, или четвертичный период развития Земли. В районах с морозным и сухим климатом была незначительна толщина ледникового наземного покрова, а порой он не образовывался совсем. В этих местах произошло промерзание грунтов. Таким образом возникли районы многолетней мерзлоты.

Ледяные включения

Горные породы, которые долгое время (от нескольких лет до тысячелетий) находятся при отрицательных температурах и являются сцементированными влагой, замерзшей в них, стали называться вечной, или многолетней, мерзлотой. В многолетнемерзлых породах скопления воды образуют прожилки, прослои, клинья и линзы льда. То есть и подземные льды входят в состав вечной мерзлоты.

Льдистость мерзлоты

Льдистость мерзлоты, то есть содержание льда, может быть различной. Ее значения колеблются существенно: от нескольких до 90% от всего объема породы. Льда обычно мало бывает в горных районах, зато подземный лед на равнинах оказывается нередко основной породой. В особенности ледяных включений много содержится в суглинистых и глинистых отложениях, встречающихся на крайнем севере Северо-Восточной и Средней Сибири (от 40-50% до 60-70% в среднем). Эти районы отличаются самой низкой температурой грунта.

Деятельный слой, многолетняя и сезонная мерзлота

Ниже 0°С имеют температуру мерзлые породы. Вся вода или часть ее находятся в них в кристаллическом состоянии. Только небольшой поверхностный слой промерзает зимой в средних широтах. Здесь поэтому господствует сезонная мерзлота. За морозную, долгую зиму в северных широтах очень глубоко промерзает земля. Она оттаивает коротким летом всего лишь на 0,5-2 метра в глубину с поверхности. Отталкивающий слой именуется деятельным. В породах ниже него круглый год температуры являются отрицательными. Эти районы находятся в условиях вечной мерзлоты.

Криолитозона

Не одними лишь скоплениями жидкой воды представлены внутренние воды России. Они бывают и в твердом состоянии, которое образует современное подземное, горное и покровное оледенение. Криолитозоной называется область подземного оледенения. Этот термин был введен в 1955 году П. Ф. Швецовым, советским мерзлотоведом. Ранее термин “вечная мерзлота” служил для ее обозначения.

Криолитозона – это верхний слой коры Земли, который характеризуется отрицательными температурами различных горных пород, а также наличием подземных льдов или возможностью их существования. В ее составе – горные многолетнемерзлые породы, подземные льды, а также непромерзающие горизонты подземных сильно минерализованных вод.

Как образуется вечная мерзлота?

При довольно небольшой мощности покрова снега в условиях холодной длительной зимы горные породы теряют значительное количество тепла. Они промерзают на довольно большую глубину, превращаясь в мерзлую твердую массу. Они не успевают летом оттаять полностью. В течение сотен, а порой и тысяч лет могут сохраняться даже на небольшой глубине отрицательные температуры грунта. Способствуют этому большие запасы холода, накапливающиеся в зимний период в местах, среднегодовая температура которых является отрицательной. Например, в Северо-Восточной и Средней Сибири сумма всех отрицательных температур, наблюдающихся во время залегания снежного покрова, – от -3000 до -6000°С. А сумма активных температур летом составляет лишь +300 – +2000°С.

История изучения многолетней мерзлоты

Необычное явление природы – многолетняя мерзлота. На него обратили свое внимание еще жившие в 17 веке землепроходцы. О ней также упоминал В. Н. Татищев в своих работах (начало 18 века). А. Миддендорфом в середине 19 столетия были проведены ее первые научные исследования. Это произошло во время экспедиции этого ученого на восток и север Сибири. Миллендорф произвел впервые измерения температуры в ряде пунктов мерзлого слоя, установил в северных районах его мощность, а также высказал предположения о том, как появилась мерзлота и почему она широко распространилась в Сибири. Вечная мерзлота изучалась также во 2-й половине 19 и начале 20 века вместе с изыскательскими работами, которые проводили горные инженеры и геологи. Серьезные ее исследования в советские годы проводили М. И. Сумгин, А. И. Попов, П. Ф. Швецов, И. Я. Баранов и другие ученые.

Читайте также:  Горячие батареи

Вечная мерзлота на карте России

В России около 11 млн кв. км занимает область распространения вечной мерзлоты. Это составляет практически 65% всей территории этой страны.

Расскажем о том, где находится вечная мерзлота на карте России. По Кольскому полуострову, по его центральной части, проходит ее южная граница. Далее мерзлота пересекает близ полярного круга Восточно-Европейскую равнину, отклоняется к югу по Уралу почти до 60° с.ш., а также вдоль Оби, достигая севера устья Северной Сосьвы. Затем граница вечной мерзлоты проходит по Сибирским Увалам, их южному склону, и выходит к Енисею у Подкаменной Тунгуски. Здесь она поворачивает круто на юг, проходит далее вдоль Енисея и по склонам Алтая, Тувы и Западного Саяна. Граница ее на Дальнем Востоке идет к устью Селемджи от Амура, затем к устью Амура по подножью гор его левобережья. Отсутствует зона вечной мерзлоты на Сахалине, а также в южной половине Камчатки (в прибрежных районах). Встречаются также ее пятна в высокогорьях Кавказа и в горах Сихотэ-Алиня.

Территориальные особенности вечной мерзлоты

Однако глубина вечной мерзлоты и ее развитие на этой обширной территории неодинаковы. Северо-восточные и северные районы Сибири, о. Новая Земля и о-ва азиатского сектора Арктики покрыты многолетней низкотемпературной сплошной мерзлотой. Граница ее на юге проходит через Ямал (северную часть), Гыданский полуостров и выходит к Елисею (Дудинка), далее – к устью Вилюя. Она пересекает верховья Колымы и Индигирки и выходит южнее Анадыря к побережью Берингова моря. Температура расположенных к северу от данной линии многолетнемерзлых пород в среднем составляет -6 – -12°С. При этом мощность его достигает 300-600 метров, а порой и больше. Западнее и южнее распространена вечная мерзлота с островками талого грунта (таликов). Здесь температура мерзлого слоя несколько выше (от -2 до -6°С). Уменьшается его мощность (до 50-300 м). Только отдельные острова (пятна) мерзлоты встречаются среди талого грунта вблизи юго-западной границы области ее распространения. Близка к 0°С температура мерзлого грунта, а мощность составляет менее 25-50 метров. Это так называемая островная мерзлота.

Подземные льды

Большие запасы воды концентрируются в мерзлой толще в виде подземных льдов. Одна из их частей была образована вместе с сингенетическими льдами (вмещающими породами), а другая – при замерзании в ранее накопившихся толщах воды (эпигенетические).

Полигонально-жильные льды распространены в рыхлых отложениях на Вилюйской низменности, Новосибирских островах, а также от устья реки Хатанги до Колымы на приморских низменностях. Их мощность составляет 40-50 метров, даже 70-80 метров на Большом Ляховском острове. Они считаются “ископаемыми”, поскольку в период оледенения (в среднечетвертичное время) происходило их формирование. В трещинах метаморфических и кристаллических пород представлен широко жильный лед. Он находится в горных системах Северо-Востока, а также в Средней Сибири (северной ее части). Гидролакколиты (ледяные интрузии) образуются в солифлюкционных, делювиальных и озерно-аллювиальных отложениях котловин Северо-Востока и Забайкалья, а также в Западной Сибири (северные районы) и Центральной Якутии. Заполняющие собой морозобойные трещины миграционные льды встречаются практически во всех районах с мерзлотой.

Солифлюкция

Поперечное промерзание и оттаивание находящихся на склонах горных пород, а также почв приводит к тому, что из-за силы тяжести начинает медленно сползать деятельный слой. Он сползает не только с крутых, но и с пологих склонов. Скорость этого процесса составляет от 1 см в год до нескольких метров в час. Называется данный процесс солифлюкцией (от латинских слов solum и fluctio – соответственно, “почва” и “истечение”). Она распространена довольно широко в Восточной и Средней Сибири, а также в Канаде, в тундре и высокогорьях. На склонах при этом возникают невысокие гряды, наплывы. Если есть древесная растительность, то лес может наклоняться. Это явление было названо “пьяным лесом”.

Положительная и отрицательная роль мерзлотных процессов

Мерзлотные процессы сильно препятствуют строительству, а также эксплуатации тоннелей, мостов, дорог и зданий. Мерзлые грунты приходится сохранять в природном состоянии. Сооружения с этой целью устанавливают на опоры, а затем прокладывают охлаждающие трубы. После этого в прорубленные скважины погружают сваи. Российские строители железных и автомобильных дорог с 1960 годов земные температуры стабилизировали применением так называемых парожидкостных термосифонов. Это металлические трубы, которые заполняются замороженной двуокисью углерода и вставляются затем вдоль дорог в землю так, чтобы один конец их был погружен в мерзлоту (при этом ниже ее активного слоя), а второй находился над ним в воздухе. От 1 до 5 °С уменьшает температуру природный теплообмен. При вытаивании больших залежей подземных льдов наблюдается существенная активизация склоновых процессов. Это также осложняет строительство. Нужно учитывать при освоении районов севера, что здесь природа очень ранима.

Однако мерзлота является и помощником человека, ведь в ней можно устраивать склады, которые будут служить огромными естественными холодильниками.

65% территории России – это вечная мерзлота. Объясняю на пальцах, что это значит.

Взгляните. Это – озеро Байкал. Его максимальная глубина – 1642 метра. Для масштаба я поставил на его берег Эйфелеву башню.

Глубоко? Очень. А теперь представьте, что прямо сейчас где-то в мире есть территории, пропитанные подземным льдом на 1370 метров вниз.

Да, именно 1370 метров – таков мировой рекорд глубины для вечной мерзлоты. И установлен этот рекорд в России (кто бы сомневался?).

Вечная мерзлота – это замерзшие грунтовые воды, которые от сильных морозов не оттаивают десятками, сотнями и даже тысячами лет.

Явление это не такое уж и редкое. 35 млн км2 нашей планеты (1/4 часть суши) занято именно вечной мерзлотой. Чтобы понимать масштаб этого глобального холодильника, просто посмотрите на картинку:

Вся вечная мерзлота мира занимает в 4 раза большую площадь, чем Австралия. Кстати, мы не зря взяли именно Австралию, ведь это единственный материк, на котором вечной мерзлоты нет совершенно. А на остальных материках она есть. Даже в Африке.

Что касается нашей страны, то ей немного не повезло. 1/3 всей мировой вечной мерзлоты расположена в России. Это порядка 10-12 млн км2 или 65% территории страны. То есть, пропорция примерно следующая:

Если вычесть из России всю вечную мерзлоту (где сложно или невозможно что-то выращивать, строить да и вообще жить) то у нас останется 5-6 миллионов квадратных километров. Мы станем 8 по площади страной, где-то между Индией и все той же Австралией.

А вот еще интересный факт. Однажды русские решили выкопать в мерзлоте глубокий колодец, чтобы добраться до чистой питьевой воды. Было это еще при Пушкина, в 1828 году. И что бы вы думали? 9 лет они копали эту вертикальную яму. И докопали до глубины 116 метров.

За все 9 лет и 116 метров глубины землекопы (ледокопы?) не встретили ни единой капельки жидкости. В итоге, колодец разорил этих людей и они свою идею оставили, даже не подозревая, что на самом деле глубина мерзлоты в том месте – 500 метров. То есть, им еще лет 40 пришлось бы ее пробивать.

Самое поразительное, что тот колодец жив до сих пор. Уже почти 200 лет он в неизменном виде покоится в Якутии.

А, знаете сколько нужно времени, чтобы во дворе вашего дома образовалась вечная мерзлота? Ученые все подсчитали.

За одну зиму грунт успевает промерзнуть примерно на 1 метр. Если бы зима не кончалась, а длилась. Ну, скажем, 1 год, то грунт промерз бы уже на 4 метра. Дальше – сложнее. Чтобы земля промерзла на 80 метров в глубину, нужно чтобы морозы стояли примерно 350 лет подряд.

А если вы хотите проморозить землю на 116 метров (глубина того якутского колодца) то вам потребуется около 1000 лет. Это уже целый ледниковый период, получается.

Как видно, чем глубже мерзлота, тем она старше. Например, требуется 100 000 лет непрерывных холодов, чтобы мерзлота опустилась на 550 метров вглубь. И аж 1 миллион лет – для 700-метровой глубины.

Впрочем , вечная мерзлота – это не обязательно мертвая территория. Сверху, над ней, вполне может образовываться почва, где будут расти лишайники, мхи, трава, кустарники и даже деревья. Да что там.

В России умудряются выращивать на вечной мерзлоте целые города! Например, самый большой в мире город, расположенный над вечной мерзлотой – Якутск. Его население – 300 000 человек. Это именно там копали тот 116-метровый колодец, и именно там сейчас собираются строить новый мега мост.

Впрочем, этот любопытный город заслуживает отдельного рассказа.

Земляное полотно в условиях вечной мерзлоты

Под термином «вечномерзлые» понимают многолетнемерзлые грунты, температура которых остается отрицательной независимо от сезонных изменений температуры воздуха в течение длительного периода (годы, сотни, тысячи лет). На территории России эти грунты занимают более 65% площади страны в Восточной Сибири, на Крайнем Севере, в Якутии и на Дальнем Востоке. В отдельных местах (Оймякон, Верхоянск) зимняя температура достигает -72 °С, а летом повышается до +25 °С. Самыми холодными месяцами в году являются декабрь, январь и февраль. Ручьи, малые и средние реки в этих местах полностью промерзают уже в начале января, а паводок проходит в конце мая — начале июня.

В теплый период года грунт оттаивает на некоторую глубину, а с наступлением зимы вновь замерзает — этот слой называется деятельным (рис. 8.1).

В верхних горизонтах, как правило, преобладают мощные залежи пылеватых суглинков, супесей и других мелкозернистых льдонасыщенных отложений. Под поверхностью могут протекать грунтовые воды, которые в зависимости от расположения относительно толщи вечной мерзлоты подразделяются на фи категории:

• надмерзлотные, залегающие над верхней границей вечной мерзлоты;

• межмерзлотные, расположенные в толще многолетнемерзлых грунтов;

• подмерзлотные, залегающие под нижней границей вечной мерзлоты.

Особенностями природных условий, влияющих на строительство дорог, являются:

• наличие толщи вечной мерзлоты мощностью до 500 м;

• малая толщина деятельного слоя, равная 0,5. 2,5 м, и наличие в нем водо-льдонасышенных глинистых и пылеватых грунтов;

• залегание на глубине до 10 м надмерзлотных вод, способствующих переувлажнению земляного полотна и образованию наледей;

• наличие ледяных линз у верхней границы вечномерзлых грунтов;

Читайте также:  Тумбочка прикроватная

• малая продолжительность периода с положительными температурами воздуха.

При промерзании грунтов происходит перераспределение влаги, которое заключается в миграции ее к границе промерзания. Вода, заполнившая поры грунта, при замерзании увеличивается в объеме, в результате чего происходит пучение земляного полотна, которое из-за неоднородности грунтов не везде одинаково. Максимальная величина пучения наблюдается в пылеватых и глинистых грунтах, минимальная — в макропористых грунтах. Зимнее пучение вызывает деформацию земляного полотна и нежестких покрытий и приводит иногда к разрушению жестких.

В насыпях высотой до 0,8 м наблюдается понижение верхней границы вечной мерзлоты, вызывающее деформации земляного полотна. При высоте насыпи более 1 м с сохранением растительного слоя или мохоторфяного покрова верхняя граница вечной мерзлоты может повышаться, обеспечивая устойчивость земляного полотна.

При возведении земляного полотна просеку прорубают только в пределах основания насыпи. He допускается корчевка пней и нарушение растительного слоя. Mox для нужд строительства можно снимать не ближе чем в 100 м от трассы. При строительстве автомобильных дорог на высоких террасах, пологих склонах гор и плоских водоразделах в грунтах, влажность которых во время оттаивания не превышает предела текучести, земляное полотно возводят с обязательным сохранением растительного слоя в основании.

Насыпи высотой до 2 м должны иметь откосы 1:5 (минимальное заложение откосов может быть принято 1:3). При высоте от 2 до 6 м заложение должно быть 1:4 (минимально — 1:2).

Насыпи высотой более 6 м следует проектировать из расчета обеспечения устойчивости откосов. При строительстве дорог в каменистой тундре, на склонах сопок при наличии скальных, гравийно-галечных и песчаных грунтов, не содержащих линз льда, насыпи и выемки должны иметь откосы 1:1,5, чтобы не быть занесенными снегом.

При выборе конструкции земляного полотна следует учитывать форму рельефа и виды грунтов; глубину залегания вечной мерзлоты, наличие местных карьеров грунта, изолирующих и утепляющих материалов и возможностей их заготовки, доставки без устройства сложных сооружений, а также условия эксплуатации и снегозаносимости дороги; места заложения резервов и способы возведения земляного полотна и необходимость устройства снегозащиты и снегоудаления в случае его возведения в зимний период. При сооружении земляного полотна по возможности следует использовать бульдозеры.

В большинстве случаев работы по отсыпке насыпей высотой до 1 м ведутся бульдозерами, доставляющими грунт из притрассового резерва и автовозкой с разработкой грунта в карьере экскаватором.

При определении времени начала работ по устройству земляного полотна следует по климатическому справочнику выбирать период с устойчивой температурой воздуха 5 °С, который соответствует оттаиванию грунтов. Исходя из технологии производства работ и скорости оттаивания определяют дату начала земляных работ. Если разработку резерва принято вести слоями толщиной 20. 30 см, то начало работ должно предусматривать время на оттаивание слоя грунта после снятия растительного слоя.

Строительство труб и мостов возможно в любое время года, но переброска строительного подразделения в осеннее и летнее время на значительные расстояния затруднена. Из этих соображений строительство искусственных сооружений надо предусматривать в зимнее время, а доставку материалов и оборудования производить заблаговременно.

Зимой целесообразно выполнять:

• устройство автозимников вдоль строящейся дороги;

• доставку грузов, монтаж оборудования, строительство временных зданий и сооружений;

• разработку выемок в грунтах, разжижающихся после оттаивания;

• рытье котлованов и траншей в мерзлом грунте для опор мостов и оснований труб;

• строительство мостов и труб;

• возведение насыпей на участках, для которых предусмотрено сохранение основания в мерзлом состоянии.

Для обеспечения устойчивости земляного полотна необходимо выполнить работы по водоотводу грунтовых и поверхностных вод от дороги, с этой целью строят фильтрующие насыпи, мосты, трубы и т.д. Отвод поверхностных вод от земляного полотна осуществляется с помощью боковых водоотводных канав, нагорных мерзлотных валиков, водонепроницаемых замков и нагорных канав для перехвата и отвода поверхностной воды с нагорной стороны земляного полотна, а также при помощи деревянных лотков.

На рис. 8.2 показаны конструкции водоотводных сооружений, устраиваемых для удаления воды с косогорных участков дороги. Глубина сооружений — не менее 1 м от дневной поверхности; уклон — не менее 30. 40%; рабочее сечение — не менее 0,5 м2; ширина по дну — не менее 0,4 м.

Для отвода грунтовых вод в районах несливающейся вечной мерзлоты (деятельный слой зимой не сливается со слоем вечной мерзлоты) устраивают дренажи.

Все водоотводные сооружения должны иметь устойчивое основание. Если грунты легко размываются, то дно и откосы кюветов и канав необходимо укреплять засевом трав, одиночным или двойным слоем лугового или тундрового дерна, камнем на мху или устраивать деревянные, каменные и бетонные лотки. Фильтрующие насыпи рекомендуется сооружать в исключительных случаях: на водотоках, действующих только в летнее время, не имеющих ледохода и карчехода и не подверженных наледеобразованию. Насыпи в этом случае возводят из камня одинаковой крупности (30. 40 см), прочного, стойкого к выветриванию. Для предотвращения заливания грунтом сверху и с боков фильтрующей насыпи необходимо устраивать изоляцию из мха или торфа толщиной 10 см по слою щебня или гравия толщиной 20 см, а входные и выходные поверхности укреплять камнем. Верхний слой фильтрующей насыпи и дрены в верхнем бьефе должны возвышаться над наивысшим подпорным горизонтом воды не менее чем на 0,5 м.

При производственном освоении многолетнемерзлых грунтов особую актуальность приобретает охрана окружающей среды, так как ландшафтные изменения при строительстве транспортных сооружения характеризуются всеми видами проявлений — от частичного нарушения растительного покрова при однократном проезде гусеничной машины до его полного уничтожения при подготовке строительной площадки. Поэтому в этих районах должна создаваться служба мерзлотного контроля, в задачу которой входят изучение факторов, влияющих на изменение мерзлотной обстановки под воздействием технологических процессов, и обеспечение долгосрочного геокриологического прогноза. Технология и организация производства работ в районах вечной мерзлоты должны обеспечивать ее сохранение в стабильном состоянии на весь период эксплуатации сооружения.

Высота насыпи земляного полотна, его конструкция утверждаются службой мерзлотного контроля лишь в том случае, если представлены гарантии сохранения мерзлых грунтов в естественном состоянии и обеспечения естественного распределения паводковых стоков. Надежность работы земляного полотна обеспечивается с помощью боковых берм из торфа, намораживания торфяной плиты в нижней части полотна или комбинированием этих методов с созданием пологих откосов в виде теплоизоляционных торфяных присыпок и приоткосных берм, а несущую способность насыпи повышают за счет устройства в ее основании деревянного или сланевого настила. Теплоизоляционный эффект насыпного полотна усиливается при размещении его основания непосредственно на мохоторфяном слое, а также при укладке в основание тепло- и гидроизоляционных синтетических или природных материалов.

Заслуживает внимания американский способ создания развитой сети дорог в арктическом исполнении на Аляске. В качестве теплоизоляционного дорожного покрытия там используют прочную конструкцию фирмы «Аркокемикл» из полиуретана с гидрофобным наполнителем, который придает материалам гидроизоляционные свойства. Конструктивно это покрытие представляет собой полотно с нижним и верхним основаниями из синтетического полимера, между которыми заключено несколько слоев пенополиуретана толщиной 3. 8 мм. Каждый слой имеет плотную пленку на верхней стороне и прочно приклеивается к пленке нижнего слоя. Полотно может включать в себя частицы перлита, размещенные в составе органического вяжущего, содержащего химически связанный пенополиуретан, под влиянием которого покрытие становится устойчивым в условиях низких и высоких температур.

В холодное время года в результате промерзания поверхностных, подрусловых и грунтовых вод могут образовываться наледи. Эти воды, изливаясь на поверхность или оставаясь в пределах деятельного слоя, замерзают и формируют наледные поля. Особенно интенсивно наледи образуются, когда поток воды на небольшой глубине подстилается водонепроницаемыми грунтами. В районах вечной мерзлоты, где таким водоупором является верхняя граница толщи мерзлых грунтов, возможность появления наледей также не исключена.

Возведение земляного полотна в районах вечной мерзлоты в некоторых случаях может вызывать появление наледи на дороге, так как при строительстве иногда удаляется растительный покров и грунт уплотняется, что увеличивает скорость, глубину промерзания грунта и создает мерзлотную перемычку, перехватывающую грунтовые воды. Они представляют опасность для дорожного движения.

Образование наледей начинается в начале ноября и продолжается до марта-апреля. К концу зимы их образование от поверхностных и грунтовых вод уменьшается или вовсе прекращается, однако весной наледь может расти за счет снеготаяния. Эти воды в теплое время суток выклиниваются перед насыпью, а в холодное время замерзают, постепенно накапливаясь и образуя наледь у дороги. В трубах, особенно длинных, талые воды замерзают и днем.

Одним из мероприятий, направленных на задержание наледи с верховой стороны, является устройство мерзлотного пояса. Мерзлотный пояс представляет собой широкую канаву, под которой грунт промерзает интенсивнее, чем в естественных условиях. Слой сезонного промерзания в этом месте быстрее достигает водоупора, вследствие чего создается мерзлотная перемычка на пути движения воды. Простейшим мерзлотным поясом может служить расчищенная от снега полоса шириной до 5. 10 м. Постоянный мерзлотный пояс устраивается с заглублением канавы в грунт до 1 м и шириной по дну 2. 5 м. В длину он может достигать десятков и даже сотен метров, пересекая всю ширину грунтового водотока.

Вечная мерзлота

Вечная мерзлота в истории

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

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

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

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

Читайте также:  Установка водонагревателя своими руками

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

Научное определение

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

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

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

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

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

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

Особенности мерзлых почв

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

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

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

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

Ареалы распространения

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

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

Экономическое влияние

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

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

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

Музей вечной мерзлоты в Игарке

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

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

В условиях вечной мерзлоты

Многолетняя мерзлота (общепринятое название — вечная мерзлота, «многолетней» вечную мерзлоту впервые стала именовать петербургская географическая научная школа) — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116.4 м. Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта. В 40-х годах 19-го века А. Ф. Миддендорф измерил температуру до глубины 116 м. [1] С этого времени вопрос о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не поднимался.

Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в 1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным. Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий [2] . Слово «мерзлота» при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения. По длительности существования мерзлого состояния пород принято подразделять «родовое» понятие «мерзлые породы» на три видовых понятия:

  • кратковременномёрзлые породы (часы, сутки),
  • сезонномёрзлые породы (месяцы),
  • многолетнемёрзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).

Между этими категориями могут быть промежуточные формы и взаимные переходы. Например, сезонномерзлая порода может не протаять в течение лета и просуществовать несколько лет. Такие формы мерзлой породы называются «перелетками» [3]

65% территории России — районы многолетней мерзлоты [4] . Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.

Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачный — с почти отвесными стенками.

Глубина промерзания при средних отрицательных температурах в течение:
Время (в год.)Глубина мерзлоты (м)
14,44
35079,9
3500219,3
35000461,4
100000567,8
225000626,5
775000687,7

Почвы районов многолетней мерзлоты

В почвах, расположенных в зоне длительной сезонной или постоянной мерзлоты, протекает комплекс своеобразных процессов, связанных с влиянием низких температур. Над мёрзлым слоем, который является водоупором, вследствие коагуляции органических веществ может происходить накопление гумуса, так называемая надмерзлотная регенерация гумуса, надмерзлотное оглеение даже при небольшом годовом количестве осадков. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мёрзлого слоя вызван целый ряд механических изменений в почвенном профиле, таких, как криотурбация — перемешивание почвенной массы под влиянием разницы температур, солифлюкция — сползание насыщенной водой почвенной массы со склонов по мёрзлому слою. Эти явления особенно широко распространены в тундровой зоне. С криогенными деформациями связывают характерный для тундр бугристо-западинный рельеф (чередование бугров пучения и термокарстовых западин), а также образование пятнистых тундр.

Под действием мороза происходит криогенное оструктуривание почвы. Отрицательные температуры способствуют переходу продуктов почвообразования в более конденсированные формы, и это резко замедляет их подвижность. Мерзлотной коагуляцией коллоидов обусловлено ожелезнение таёжных почв. С влиянием криогенных явлений некоторые исследователи связывают обогащение кремнекислотой средней части профиля подзолистых почв, рассматривая белесую присыпку как результат мерзлотной дифференциации плазмы и скелета почвы.

Ссылка на основную публикацию

в условиях вечной мерзлоты

Вечная мерзлота. Вечная мерзлота на карте России

В этой статье мы расскажем о таком интересном явлении, как многолетняя мерзлота. Хоть ее и называют часто вечной, это на самом деле не так. Просто это название является исторически сложившимся. Она возникла в ледниковый, или четвертичный период развития Земли. В районах с морозным и сухим климатом была незначительна толщина ледникового наземного покрова, а порой он не образовывался совсем. В этих местах произошло промерзание грунтов. Таким образом возникли районы многолетней мерзлоты.

Ледяные включения

Горные породы, которые долгое время (от нескольких лет до тысячелетий) находятся при отрицательных температурах и являются сцементированными влагой, замерзшей в них, стали называться вечной, или многолетней, мерзлотой. В многолетнемерзлых породах скопления воды образуют прожилки, прослои, клинья и линзы льда. То есть и подземные льды входят в состав вечной мерзлоты.

Льдистость мерзлоты

Льдистость мерзлоты, то есть содержание льда, может быть различной. Ее значения колеблются существенно: от нескольких до 90% от всего объема породы. Льда обычно мало бывает в горных районах, зато подземный лед на равнинах оказывается нередко основной породой. В особенности ледяных включений много содержится в суглинистых и глинистых отложениях, встречающихся на крайнем севере Северо-Восточной и Средней Сибири (от 40-50% до 60-70% в среднем). Эти районы отличаются самой низкой температурой грунта.

Деятельный слой, многолетняя и сезонная мерзлота

Ниже 0°С имеют температуру мерзлые породы. Вся вода или часть ее находятся в них в кристаллическом состоянии. Только небольшой поверхностный слой промерзает зимой в средних широтах. Здесь поэтому господствует сезонная мерзлота. За морозную, долгую зиму в северных широтах очень глубоко промерзает земля. Она оттаивает коротким летом всего лишь на 0,5-2 метра в глубину с поверхности. Отталкивающий слой именуется деятельным. В породах ниже него круглый год температуры являются отрицательными. Эти районы находятся в условиях вечной мерзлоты.

Криолитозона

Не одними лишь скоплениями жидкой воды представлены внутренние воды России. Они бывают и в твердом состоянии, которое образует современное подземное, горное и покровное оледенение. Криолитозоной называется область подземного оледенения. Этот термин был введен в 1955 году П. Ф. Швецовым, советским мерзлотоведом. Ранее термин “вечная мерзлота” служил для ее обозначения.

Криолитозона – это верхний слой коры Земли, который характеризуется отрицательными температурами различных горных пород, а также наличием подземных льдов или возможностью их существования. В ее составе – горные многолетнемерзлые породы, подземные льды, а также непромерзающие горизонты подземных сильно минерализованных вод.

Как образуется вечная мерзлота?

При довольно небольшой мощности покрова снега в условиях холодной длительной зимы горные породы теряют значительное количество тепла. Они промерзают на довольно большую глубину, превращаясь в мерзлую твердую массу. Они не успевают летом оттаять полностью. В течение сотен, а порой и тысяч лет могут сохраняться даже на небольшой глубине отрицательные температуры грунта. Способствуют этому большие запасы холода, накапливающиеся в зимний период в местах, среднегодовая температура которых является отрицательной. Например, в Северо-Восточной и Средней Сибири сумма всех отрицательных температур, наблюдающихся во время залегания снежного покрова, – от -3000 до -6000°С. А сумма активных температур летом составляет лишь +300 – +2000°С.

История изучения многолетней мерзлоты

Необычное явление природы – многолетняя мерзлота. На него обратили свое внимание еще жившие в 17 веке землепроходцы. О ней также упоминал В. Н. Татищев в своих работах (начало 18 века). А. Миддендорфом в середине 19 столетия были проведены ее первые научные исследования. Это произошло во время экспедиции этого ученого на восток и север Сибири. Миллендорф произвел впервые измерения температуры в ряде пунктов мерзлого слоя, установил в северных районах его мощность, а также высказал предположения о том, как появилась мерзлота и почему она широко распространилась в Сибири. Вечная мерзлота изучалась также во 2-й половине 19 и начале 20 века вместе с изыскательскими работами, которые проводили горные инженеры и геологи. Серьезные ее исследования в советские годы проводили М. И. Сумгин, А. И. Попов, П. Ф. Швецов, И. Я. Баранов и другие ученые.

Вечная мерзлота на карте России

В России около 11 млн кв. км занимает область распространения вечной мерзлоты. Это составляет практически 65% всей территории этой страны.

Расскажем о том, где находится вечная мерзлота на карте России. По Кольскому полуострову, по его центральной части, проходит ее южная граница. Далее мерзлота пересекает близ полярного круга Восточно-Европейскую равнину, отклоняется к югу по Уралу почти до 60° с.ш., а также вдоль Оби, достигая севера устья Северной Сосьвы. Затем граница вечной мерзлоты проходит по Сибирским Увалам, их южному склону, и выходит к Енисею у Подкаменной Тунгуски. Здесь она поворачивает круто на юг, проходит далее вдоль Енисея и по склонам Алтая, Тувы и Западного Саяна. Граница ее на Дальнем Востоке идет к устью Селемджи от Амура, затем к устью Амура по подножью гор его левобережья. Отсутствует зона вечной мерзлоты на Сахалине, а также в южной половине Камчатки (в прибрежных районах). Встречаются также ее пятна в высокогорьях Кавказа и в горах Сихотэ-Алиня.

Территориальные особенности вечной мерзлоты

Однако глубина вечной мерзлоты и ее развитие на этой обширной территории неодинаковы. Северо-восточные и северные районы Сибири, о. Новая Земля и о-ва азиатского сектора Арктики покрыты многолетней низкотемпературной сплошной мерзлотой. Граница ее на юге проходит через Ямал (северную часть), Гыданский полуостров и выходит к Елисею (Дудинка), далее – к устью Вилюя. Она пересекает верховья Колымы и Индигирки и выходит южнее Анадыря к побережью Берингова моря. Температура расположенных к северу от данной линии многолетнемерзлых пород в среднем составляет -6 – -12°С. При этом мощность его достигает 300-600 метров, а порой и больше. Западнее и южнее распространена вечная мерзлота с островками талого грунта (таликов). Здесь температура мерзлого слоя несколько выше (от -2 до -6°С). Уменьшается его мощность (до 50-300 м). Только отдельные острова (пятна) мерзлоты встречаются среди талого грунта вблизи юго-западной границы области ее распространения. Близка к 0°С температура мерзлого грунта, а мощность составляет менее 25-50 метров. Это так называемая островная мерзлота.

Подземные льды

Большие запасы воды концентрируются в мерзлой толще в виде подземных льдов. Одна из их частей была образована вместе с сингенетическими льдами (вмещающими породами), а другая – при замерзании в ранее накопившихся толщах воды (эпигенетические).

Полигонально-жильные льды распространены в рыхлых отложениях на Вилюйской низменности, Новосибирских островах, а также от устья реки Хатанги до Колымы на приморских низменностях. Их мощность составляет 40-50 метров, даже 70-80 метров на Большом Ляховском острове. Они считаются “ископаемыми”, поскольку в период оледенения (в среднечетвертичное время) происходило их формирование. В трещинах метаморфических и кристаллических пород представлен широко жильный лед. Он находится в горных системах Северо-Востока, а также в Средней Сибири (северной ее части). Гидролакколиты (ледяные интрузии) образуются в солифлюкционных, делювиальных и озерно-аллювиальных отложениях котловин Северо-Востока и Забайкалья, а также в Западной Сибири (северные районы) и Центральной Якутии. Заполняющие собой морозобойные трещины миграционные льды встречаются практически во всех районах с мерзлотой.

Солифлюкция

Поперечное промерзание и оттаивание находящихся на склонах горных пород, а также почв приводит к тому, что из-за силы тяжести начинает медленно сползать деятельный слой. Он сползает не только с крутых, но и с пологих склонов. Скорость этого процесса составляет от 1 см в год до нескольких метров в час. Называется данный процесс солифлюкцией (от латинских слов solum и fluctio – соответственно, “почва” и “истечение”). Она распространена довольно широко в Восточной и Средней Сибири, а также в Канаде, в тундре и высокогорьях. На склонах при этом возникают невысокие гряды, наплывы. Если есть древесная растительность, то лес может наклоняться. Это явление было названо “пьяным лесом”.

Положительная и отрицательная роль мерзлотных процессов

Мерзлотные процессы сильно препятствуют строительству, а также эксплуатации тоннелей, мостов, дорог и зданий. Мерзлые грунты приходится сохранять в природном состоянии. Сооружения с этой целью устанавливают на опоры, а затем прокладывают охлаждающие трубы. После этого в прорубленные скважины погружают сваи. Российские строители железных и автомобильных дорог с 1960 годов земные температуры стабилизировали применением так называемых парожидкостных термосифонов. Это металлические трубы, которые заполняются замороженной двуокисью углерода и вставляются затем вдоль дорог в землю так, чтобы один конец их был погружен в мерзлоту (при этом ниже ее активного слоя), а второй находился над ним в воздухе. От 1 до 5 °С уменьшает температуру природный теплообмен. При вытаивании больших залежей подземных льдов наблюдается существенная активизация склоновых процессов. Это также осложняет строительство. Нужно учитывать при освоении районов севера, что здесь природа очень ранима.

Однако мерзлота является и помощником человека, ведь в ней можно устраивать склады, которые будут служить огромными естественными холодильниками.

В условиях вечной мерзлоты

Россия по праву считается страной с самым суровым климатом. За исключением южных регионов, зима длится здесь до 5 месяцев в году. Кроме того, географическое положение России поспособствовало тому, что большая часть ее территорий оказалась малопригодной для проживания. Речь о так называемой зоне вечной (многолетней) мерзлоты, которая покрывает около 11 млн км 2 , или 65% площади нашей страны.

Коварный грунт

Если смотреть на карту России, то граница зоны мерзлотных земель тянется от Кольского полуострова, проходит чуть севернее Архангельска, а затем движется на юго-восток прямо к границе с Монголией. Дальше она смещается к северу и поднимается к Охотскому морю, оставляя в стороне Камчатку и Приморский край.

Средняя температура многолетнемерзлых пород, расположенных к северу от намеченной линии, составляет –9 °С, средняя глубина — около 600 м. Рекордная глубина вечной мерзлоты, 1370 м, была зафиксирована в феврале 1982 года в Якутии.

Термин «вечная мерзлота» закрепился в научном обороте благодаря первым землепроходцам, старателям и охотникам за пушниной, столкнувшимся в Сибири с крепкой как камень почвой. В одном из донесений 40-х годов XVII столетия воеводы Головин и Глебов писали государю Михаилу Федоровичу: «А в Якутском-де, государь, по рассказам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни не гаять; земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает».

Читайте также:  Горячие батареи

Вечная мерзлота лишала поселенцев возможности выращивать в естественных условиях полезные культуры. Существуют, правда, всяческие ухищрения — например, использование речного ила, которым покрывают мерзлый грунт. Однако это очень трудоемкий процесс, а наградой за проделанную работу станут лишь мелкие и невкусные овощи вроде моркови или картофеля.

Промерзший грунт — серьезное препятствие для возведения на нем инфраструктуры, хотя в некоторых случаях люди используют его преимущества. Так, в шахтах, расположенных в зонах вечной мерзлоты, своды тоннелей поддерживаются не деревянными или металлическими перекрытиями, а мерзлым грунтом. Отработанные шахты успешно используются в качестве складов-холодильников благодаря сохранению в них постоянно низкой температуры.

Из-за своей крепости мерзлый грунт кажется прочным основанием для любой постройки, однако не следует забывать, что от 10 до 90% его состава — это лед. Как только часть верхнего слоя промерзшей земли начнет подтаивать, грунт становится рыхлым и подвижным, а покоящиеся на нем сооружения перекашиваются и трескаются.

Опасно возведение домов и на подтаявшем грунте. В случае замерзания объем грунта под фундаментом дома увеличится на 10—12%, что приведет к разрушению бетонных конструкций. Для предотвращения деформации зданий в условиях мерзлотных почв их ставят на сваи, а между грунтом и основанием дома оставляют пространство, для того чтобы изменение структуры почвы не повлияло на постройку.

Еще одна опасность мерзлых грунтов — их неспособность впитывать воду. Летом во время проливных дождей вода начинает накапливаться в верхних слоях почвы, и как только критический объем будет преодолен, она с разрушительной силой вырвется наружу. Если зона прорыва окажется под жилой постройкой, то серьезных последствий не избежать.

Тревожные симптомы

Арктические регионы России, целиком охваченные вечной мерзлотой, крайне важны для страны в экономическом и стратегическом плане. Однако в процесс освоения этих территорий вмешивается деградация почв, которую с одной стороны провоцирует глобальное потепление, с другой — техногенные воздействия. По словам экспертов Минстроя, это может привести к частичному или полному разрушению несущих конструкций зданий. Матиас Ульрих, научный сотрудник Института географии Лейпцигского университета, считает, что наиболее ярко деградация вечной мерзлоты себя проявляет в Якутии, где содержание почвенного льда в среднем составляет 80%.

Теперь по предложению Минстроя в программу развития Арктики будут включены новые регламенты строительства, учитывающие постоянно меняющееся состояние мерзлотных почв. Как заявил заместитель гендиректора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект» Александр Рязанов, новые технологии опираются на разработки исключительно российских строителей — другие приполярные страны не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как Россия.

Сегодня вытаивание подземного льда в России идет быстрее, чем несколькими десятилетиями раньше. На аэрокосмических снимках видно большое количество новых термокарстовых озер, появляющихся из-за проседания почвы. Длина некоторых из них превышает 200 м. По оценкам ученых, почва в таких местах проседает примерно на 7 см в год.

Таяние льда постепенно высвобождает залежи природного газа. На данный момент геологи насчитали в тайге около 7 тыс. метановых пузырей, которые при разрыве могут привести к образованию огромных кратеров. В 2012 году один из таких кратеров около 40 м в диаметре обнаружил ямальский охотник. По его словам, он опустил в провал 100-метровую веревку с грузом, но до дна так и не достал.

Можно себе представить, что случится, если начнет проседать и разрушаться подтаявшая почва, на которой проложены дороги, трубопроводы, выстроены заводы и самое страшное — города. Специалисты уже фиксируют частичное разрушение домов в Якутске. И процесс этот, к сожалению, невозможно остановить. По данным совместной немецко-российской группы геологов, с 2006 года повышение температуры в мерзлотных грунтах Сибири достигло 1,5—2 °С.

Очевидно, что усиливающийся процесс деградации вечной мерзлоты потребует значительного увеличения человеческих и материальных ресурсов как на поддержание существующей инфраструктуры, так и на создание новой. Все это, несомненно, приведет к удорожанию российских арктических проектов.

Таяние мерзлотных почв наносит непоправимый урон экологии планеты. Высвобождаясь из грунта, углерод подпадает в атмосферу, а это только усиливает процесс глобального потепления. По мнению ученых, в достаточно короткий по историческим меркам временной период может произойти гигантский выброс парниковых газов. Подсчитано, что в многолетней мерзлоте содержится 1500 Гт углерода, что в два раза превышает его содержание в атмосфере.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата пришла к выводу, что таяние вечной мерзлоты ускорит процесс глобального потепления примерно на 10%. По их расчетам, к 2100 году выбросы парниковых газов из мерзлоты могут поднять столбик термометра в среднем на 0,3 °С.

Еще одна опасность вытаивания подпочвенного льда — это возвращение к жизни всевозможных возбудителей давно забытых или даже неизвестных человечеству болезней. Так, после жаркого лета 2016 года на Ямале возникла эпидемия сибирской язвы — это первый случай после 1941 года, и ученые опасаются, что далеко не последний.

65% территории России – это вечная мерзлота. Объясняю на пальцах, что это значит.

Взгляните. Это – озеро Байкал. Его максимальная глубина – 1642 метра. Для масштаба я поставил на его берег Эйфелеву башню.

Глубоко? Очень. А теперь представьте, что прямо сейчас где-то в мире есть территории, пропитанные подземным льдом на 1370 метров вниз.

Да, именно 1370 метров – таков мировой рекорд глубины для вечной мерзлоты. И установлен этот рекорд в России (кто бы сомневался?).

Вечная мерзлота – это замерзшие грунтовые воды, которые от сильных морозов не оттаивают десятками, сотнями и даже тысячами лет.

Явление это не такое уж и редкое. 35 млн км2 нашей планеты (1/4 часть суши) занято именно вечной мерзлотой. Чтобы понимать масштаб этого глобального холодильника, просто посмотрите на картинку:

Вся вечная мерзлота мира занимает в 4 раза большую площадь, чем Австралия. Кстати, мы не зря взяли именно Австралию, ведь это единственный материк, на котором вечной мерзлоты нет совершенно. А на остальных материках она есть. Даже в Африке.

Что касается нашей страны, то ей немного не повезло. 1/3 всей мировой вечной мерзлоты расположена в России. Это порядка 10-12 млн км2 или 65% территории страны. То есть, пропорция примерно следующая:

Если вычесть из России всю вечную мерзлоту (где сложно или невозможно что-то выращивать, строить да и вообще жить) то у нас останется 5-6 миллионов квадратных километров. Мы станем 8 по площади страной, где-то между Индией и все той же Австралией.

А вот еще интересный факт. Однажды русские решили выкопать в мерзлоте глубокий колодец, чтобы добраться до чистой питьевой воды. Было это еще при Пушкина, в 1828 году. И что бы вы думали? 9 лет они копали эту вертикальную яму. И докопали до глубины 116 метров.

За все 9 лет и 116 метров глубины землекопы (ледокопы?) не встретили ни единой капельки жидкости. В итоге, колодец разорил этих людей и они свою идею оставили, даже не подозревая, что на самом деле глубина мерзлоты в том месте – 500 метров. То есть, им еще лет 40 пришлось бы ее пробивать.

Самое поразительное, что тот колодец жив до сих пор. Уже почти 200 лет он в неизменном виде покоится в Якутии.

А, знаете сколько нужно времени, чтобы во дворе вашего дома образовалась вечная мерзлота? Ученые все подсчитали.

За одну зиму грунт успевает промерзнуть примерно на 1 метр. Если бы зима не кончалась, а длилась. Ну, скажем, 1 год, то грунт промерз бы уже на 4 метра. Дальше – сложнее. Чтобы земля промерзла на 80 метров в глубину, нужно чтобы морозы стояли примерно 350 лет подряд.

А если вы хотите проморозить землю на 116 метров (глубина того якутского колодца) то вам потребуется около 1000 лет. Это уже целый ледниковый период, получается.

Как видно, чем глубже мерзлота, тем она старше. Например, требуется 100 000 лет непрерывных холодов, чтобы мерзлота опустилась на 550 метров вглубь. И аж 1 миллион лет – для 700-метровой глубины.

Впрочем , вечная мерзлота – это не обязательно мертвая территория. Сверху, над ней, вполне может образовываться почва, где будут расти лишайники, мхи, трава, кустарники и даже деревья. Да что там.

В России умудряются выращивать на вечной мерзлоте целые города! Например, самый большой в мире город, расположенный над вечной мерзлотой – Якутск. Его население – 300 000 человек. Это именно там копали тот 116-метровый колодец, и именно там сейчас собираются строить новый мега мост.

Впрочем, этот любопытный город заслуживает отдельного рассказа.

Земляное полотно в условиях вечной мерзлоты

Под термином «вечномерзлые» понимают многолетнемерзлые грунты, температура которых остается отрицательной независимо от сезонных изменений температуры воздуха в течение длительного периода (годы, сотни, тысячи лет). На территории России эти грунты занимают более 65% площади страны в Восточной Сибири, на Крайнем Севере, в Якутии и на Дальнем Востоке. В отдельных местах (Оймякон, Верхоянск) зимняя температура достигает -72 °С, а летом повышается до +25 °С. Самыми холодными месяцами в году являются декабрь, январь и февраль. Ручьи, малые и средние реки в этих местах полностью промерзают уже в начале января, а паводок проходит в конце мая — начале июня.

В теплый период года грунт оттаивает на некоторую глубину, а с наступлением зимы вновь замерзает — этот слой называется деятельным (рис. 8.1).

В верхних горизонтах, как правило, преобладают мощные залежи пылеватых суглинков, супесей и других мелкозернистых льдонасыщенных отложений. Под поверхностью могут протекать грунтовые воды, которые в зависимости от расположения относительно толщи вечной мерзлоты подразделяются на фи категории:

• надмерзлотные, залегающие над верхней границей вечной мерзлоты;

• межмерзлотные, расположенные в толще многолетнемерзлых грунтов;

• подмерзлотные, залегающие под нижней границей вечной мерзлоты.

Особенностями природных условий, влияющих на строительство дорог, являются:

• наличие толщи вечной мерзлоты мощностью до 500 м;

• малая толщина деятельного слоя, равная 0,5. 2,5 м, и наличие в нем водо-льдонасышенных глинистых и пылеватых грунтов;

• залегание на глубине до 10 м надмерзлотных вод, способствующих переувлажнению земляного полотна и образованию наледей;

• наличие ледяных линз у верхней границы вечномерзлых грунтов;

Читайте также:  Как производится укладка плитки на бетонное основание?

• малая продолжительность периода с положительными температурами воздуха.

При промерзании грунтов происходит перераспределение влаги, которое заключается в миграции ее к границе промерзания. Вода, заполнившая поры грунта, при замерзании увеличивается в объеме, в результате чего происходит пучение земляного полотна, которое из-за неоднородности грунтов не везде одинаково. Максимальная величина пучения наблюдается в пылеватых и глинистых грунтах, минимальная — в макропористых грунтах. Зимнее пучение вызывает деформацию земляного полотна и нежестких покрытий и приводит иногда к разрушению жестких.

В насыпях высотой до 0,8 м наблюдается понижение верхней границы вечной мерзлоты, вызывающее деформации земляного полотна. При высоте насыпи более 1 м с сохранением растительного слоя или мохоторфяного покрова верхняя граница вечной мерзлоты может повышаться, обеспечивая устойчивость земляного полотна.

При возведении земляного полотна просеку прорубают только в пределах основания насыпи. He допускается корчевка пней и нарушение растительного слоя. Mox для нужд строительства можно снимать не ближе чем в 100 м от трассы. При строительстве автомобильных дорог на высоких террасах, пологих склонах гор и плоских водоразделах в грунтах, влажность которых во время оттаивания не превышает предела текучести, земляное полотно возводят с обязательным сохранением растительного слоя в основании.

Насыпи высотой до 2 м должны иметь откосы 1:5 (минимальное заложение откосов может быть принято 1:3). При высоте от 2 до 6 м заложение должно быть 1:4 (минимально — 1:2).

Насыпи высотой более 6 м следует проектировать из расчета обеспечения устойчивости откосов. При строительстве дорог в каменистой тундре, на склонах сопок при наличии скальных, гравийно-галечных и песчаных грунтов, не содержащих линз льда, насыпи и выемки должны иметь откосы 1:1,5, чтобы не быть занесенными снегом.

При выборе конструкции земляного полотна следует учитывать форму рельефа и виды грунтов; глубину залегания вечной мерзлоты, наличие местных карьеров грунта, изолирующих и утепляющих материалов и возможностей их заготовки, доставки без устройства сложных сооружений, а также условия эксплуатации и снегозаносимости дороги; места заложения резервов и способы возведения земляного полотна и необходимость устройства снегозащиты и снегоудаления в случае его возведения в зимний период. При сооружении земляного полотна по возможности следует использовать бульдозеры.

В большинстве случаев работы по отсыпке насыпей высотой до 1 м ведутся бульдозерами, доставляющими грунт из притрассового резерва и автовозкой с разработкой грунта в карьере экскаватором.

При определении времени начала работ по устройству земляного полотна следует по климатическому справочнику выбирать период с устойчивой температурой воздуха 5 °С, который соответствует оттаиванию грунтов. Исходя из технологии производства работ и скорости оттаивания определяют дату начала земляных работ. Если разработку резерва принято вести слоями толщиной 20. 30 см, то начало работ должно предусматривать время на оттаивание слоя грунта после снятия растительного слоя.

Строительство труб и мостов возможно в любое время года, но переброска строительного подразделения в осеннее и летнее время на значительные расстояния затруднена. Из этих соображений строительство искусственных сооружений надо предусматривать в зимнее время, а доставку материалов и оборудования производить заблаговременно.

Зимой целесообразно выполнять:

• устройство автозимников вдоль строящейся дороги;

• доставку грузов, монтаж оборудования, строительство временных зданий и сооружений;

• разработку выемок в грунтах, разжижающихся после оттаивания;

• рытье котлованов и траншей в мерзлом грунте для опор мостов и оснований труб;

• строительство мостов и труб;

• возведение насыпей на участках, для которых предусмотрено сохранение основания в мерзлом состоянии.

Для обеспечения устойчивости земляного полотна необходимо выполнить работы по водоотводу грунтовых и поверхностных вод от дороги, с этой целью строят фильтрующие насыпи, мосты, трубы и т.д. Отвод поверхностных вод от земляного полотна осуществляется с помощью боковых водоотводных канав, нагорных мерзлотных валиков, водонепроницаемых замков и нагорных канав для перехвата и отвода поверхностной воды с нагорной стороны земляного полотна, а также при помощи деревянных лотков.

На рис. 8.2 показаны конструкции водоотводных сооружений, устраиваемых для удаления воды с косогорных участков дороги. Глубина сооружений — не менее 1 м от дневной поверхности; уклон — не менее 30. 40%; рабочее сечение — не менее 0,5 м2; ширина по дну — не менее 0,4 м.

Для отвода грунтовых вод в районах несливающейся вечной мерзлоты (деятельный слой зимой не сливается со слоем вечной мерзлоты) устраивают дренажи.

Все водоотводные сооружения должны иметь устойчивое основание. Если грунты легко размываются, то дно и откосы кюветов и канав необходимо укреплять засевом трав, одиночным или двойным слоем лугового или тундрового дерна, камнем на мху или устраивать деревянные, каменные и бетонные лотки. Фильтрующие насыпи рекомендуется сооружать в исключительных случаях: на водотоках, действующих только в летнее время, не имеющих ледохода и карчехода и не подверженных наледеобразованию. Насыпи в этом случае возводят из камня одинаковой крупности (30. 40 см), прочного, стойкого к выветриванию. Для предотвращения заливания грунтом сверху и с боков фильтрующей насыпи необходимо устраивать изоляцию из мха или торфа толщиной 10 см по слою щебня или гравия толщиной 20 см, а входные и выходные поверхности укреплять камнем. Верхний слой фильтрующей насыпи и дрены в верхнем бьефе должны возвышаться над наивысшим подпорным горизонтом воды не менее чем на 0,5 м.

При производственном освоении многолетнемерзлых грунтов особую актуальность приобретает охрана окружающей среды, так как ландшафтные изменения при строительстве транспортных сооружения характеризуются всеми видами проявлений — от частичного нарушения растительного покрова при однократном проезде гусеничной машины до его полного уничтожения при подготовке строительной площадки. Поэтому в этих районах должна создаваться служба мерзлотного контроля, в задачу которой входят изучение факторов, влияющих на изменение мерзлотной обстановки под воздействием технологических процессов, и обеспечение долгосрочного геокриологического прогноза. Технология и организация производства работ в районах вечной мерзлоты должны обеспечивать ее сохранение в стабильном состоянии на весь период эксплуатации сооружения.

Высота насыпи земляного полотна, его конструкция утверждаются службой мерзлотного контроля лишь в том случае, если представлены гарантии сохранения мерзлых грунтов в естественном состоянии и обеспечения естественного распределения паводковых стоков. Надежность работы земляного полотна обеспечивается с помощью боковых берм из торфа, намораживания торфяной плиты в нижней части полотна или комбинированием этих методов с созданием пологих откосов в виде теплоизоляционных торфяных присыпок и приоткосных берм, а несущую способность насыпи повышают за счет устройства в ее основании деревянного или сланевого настила. Теплоизоляционный эффект насыпного полотна усиливается при размещении его основания непосредственно на мохоторфяном слое, а также при укладке в основание тепло- и гидроизоляционных синтетических или природных материалов.

Заслуживает внимания американский способ создания развитой сети дорог в арктическом исполнении на Аляске. В качестве теплоизоляционного дорожного покрытия там используют прочную конструкцию фирмы «Аркокемикл» из полиуретана с гидрофобным наполнителем, который придает материалам гидроизоляционные свойства. Конструктивно это покрытие представляет собой полотно с нижним и верхним основаниями из синтетического полимера, между которыми заключено несколько слоев пенополиуретана толщиной 3. 8 мм. Каждый слой имеет плотную пленку на верхней стороне и прочно приклеивается к пленке нижнего слоя. Полотно может включать в себя частицы перлита, размещенные в составе органического вяжущего, содержащего химически связанный пенополиуретан, под влиянием которого покрытие становится устойчивым в условиях низких и высоких температур.

В холодное время года в результате промерзания поверхностных, подрусловых и грунтовых вод могут образовываться наледи. Эти воды, изливаясь на поверхность или оставаясь в пределах деятельного слоя, замерзают и формируют наледные поля. Особенно интенсивно наледи образуются, когда поток воды на небольшой глубине подстилается водонепроницаемыми грунтами. В районах вечной мерзлоты, где таким водоупором является верхняя граница толщи мерзлых грунтов, возможность появления наледей также не исключена.

Возведение земляного полотна в районах вечной мерзлоты в некоторых случаях может вызывать появление наледи на дороге, так как при строительстве иногда удаляется растительный покров и грунт уплотняется, что увеличивает скорость, глубину промерзания грунта и создает мерзлотную перемычку, перехватывающую грунтовые воды. Они представляют опасность для дорожного движения.

Образование наледей начинается в начале ноября и продолжается до марта-апреля. К концу зимы их образование от поверхностных и грунтовых вод уменьшается или вовсе прекращается, однако весной наледь может расти за счет снеготаяния. Эти воды в теплое время суток выклиниваются перед насыпью, а в холодное время замерзают, постепенно накапливаясь и образуя наледь у дороги. В трубах, особенно длинных, талые воды замерзают и днем.

Одним из мероприятий, направленных на задержание наледи с верховой стороны, является устройство мерзлотного пояса. Мерзлотный пояс представляет собой широкую канаву, под которой грунт промерзает интенсивнее, чем в естественных условиях. Слой сезонного промерзания в этом месте быстрее достигает водоупора, вследствие чего создается мерзлотная перемычка на пути движения воды. Простейшим мерзлотным поясом может служить расчищенная от снега полоса шириной до 5. 10 м. Постоянный мерзлотный пояс устраивается с заглублением канавы в грунт до 1 м и шириной по дну 2. 5 м. В длину он может достигать десятков и даже сотен метров, пересекая всю ширину грунтового водотока.

Вечная мерзлота

Вечная мерзлота в истории

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

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

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

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

Читайте также:  Установка водонагревателя своими руками

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

Научное определение

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

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

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

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

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

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

Особенности мерзлых почв

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

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

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

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

Ареалы распространения

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

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

Экономическое влияние

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

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

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

Музей вечной мерзлоты в Игарке

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

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

В условиях вечной мерзлоты

Многолетняя мерзлота (общепринятое название — вечная мерзлота, «многолетней» вечную мерзлоту впервые стала именовать петербургская географическая научная школа) — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116.4 м. Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта. В 40-х годах 19-го века А. Ф. Миддендорф измерил температуру до глубины 116 м. [1] С этого времени вопрос о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не поднимался.

Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в 1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным. Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий [2] . Слово «мерзлота» при этом чёткого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях. Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемёрзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения. По длительности существования мерзлого состояния пород принято подразделять «родовое» понятие «мерзлые породы» на три видовых понятия:

  • кратковременномёрзлые породы (часы, сутки),
  • сезонномёрзлые породы (месяцы),
  • многолетнемёрзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).

Между этими категориями могут быть промежуточные формы и взаимные переходы. Например, сезонномерзлая порода может не протаять в течение лета и просуществовать несколько лет. Такие формы мерзлой породы называются «перелетками» [3]

65% территории России — районы многолетней мерзлоты [4] . Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.

Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачный — с почти отвесными стенками.

Глубина промерзания при средних отрицательных температурах в течение:
Время (в год.)Глубина мерзлоты (м)
14,44
35079,9
3500219,3
35000461,4
100000567,8
225000626,5
775000687,7

Почвы районов многолетней мерзлоты

В почвах, расположенных в зоне длительной сезонной или постоянной мерзлоты, протекает комплекс своеобразных процессов, связанных с влиянием низких температур. Над мёрзлым слоем, который является водоупором, вследствие коагуляции органических веществ может происходить накопление гумуса, так называемая надмерзлотная регенерация гумуса, надмерзлотное оглеение даже при небольшом годовом количестве осадков. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мёрзлого слоя вызван целый ряд механических изменений в почвенном профиле, таких, как криотурбация — перемешивание почвенной массы под влиянием разницы температур, солифлюкция — сползание насыщенной водой почвенной массы со склонов по мёрзлому слою. Эти явления особенно широко распространены в тундровой зоне. С криогенными деформациями связывают характерный для тундр бугристо-западинный рельеф (чередование бугров пучения и термокарстовых западин), а также образование пятнистых тундр.

Под действием мороза происходит криогенное оструктуривание почвы. Отрицательные температуры способствуют переходу продуктов почвообразования в более конденсированные формы, и это резко замедляет их подвижность. Мерзлотной коагуляцией коллоидов обусловлено ожелезнение таёжных почв. С влиянием криогенных явлений некоторые исследователи связывают обогащение кремнекислотой средней части профиля подзолистых почв, рассматривая белесую присыпку как результат мерзлотной дифференциации плазмы и скелета почвы.

Ссылка на основную публикацию