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.

ГЕОКРИОЛОГИЯ – НАУКА О МЕРЗЛОЙ ЗОНЕ ЛИТОСФЕРЫ

Она (геокриология) является самостоятельной отраслью в системе наук о Земле со своим объектом и предметом исследований.

Объектом криологии служит литосфера, т.е. часть земной коры, которая находится в вечномерзлом состоянии, подвергающаяся промерзанию и протаиванию в течение года.

Предмет геокриологии образует совокупность предложений, фиксирующих прблемы промерзания – протаивания грунтов, состава, строения, свойств мерзлых пород, а также закономерности их развития, географического распространения и залегания.

ГЕОКРИОЛОГИЯ – учение о составе, строении, свойствах мерзлых горных пород, закономерностях их формирования, развития, распространения, а также сопуствующих им процессах, как в естественном режиме, так и при хозяйственной деятельности человека.

История возникновения и развития геокриологии.

Первые правдивые сведения о наличии в Сибири и на севере Европы мерзлых пород, землепроходцы и путешествинники получали от аборигенов, для которых это было обычным явлением. В научную литературу сведения о вечномерзлых породах стали проникать лишь с 16 столетия, когда усилились поиски северного морского пути из Европы в Китай и Индию.

В древнем русском сочинении, написанном в 1598г «Описание чего ради невозможно от Архангельского города морем проходити в Китайское государство и оттоле к Восточной Индии» содержатся твердые представления о причинах существования многолетних льдов в Арктике.

В начале XVIIIв., в связи с развитием торгового капитала и общим подъемом научной деятельности в эпоху Петра I, все больше поступает сведений о существовании и распространении многолетнемерзлых пород на севере и Сибири, и о том, что в них находятся сохранившиеся кости и трупы крупных млекопитающих.

В середине XVIII столетия нашим земляком М.В.Ломоносовым, в его работе (6 сентября 1757г.) «Слово о рождении металлов от трясения Земли» было высказано, что существование многолетнемерзлых пород связано с двумя взаимно противоположными процессами – летним нагреванием и зимним охлаждением. Тем самым кладется начало учению о теплообмене между горными породами и окружающей средой как об основном факторе, определяющем тепловое состояние верхнего слоя литосферы.

Окончательное подтверждение широкого распространения вечной мерзлоты в Сибири, изложенное в трудах Татищева, Ломоносова и Бэра было получено бдагодаря неслыханному для того времени достижению практики.

Наш земляк, служащий Русско-Американской компании, Федор Шергин из Великого Устюга начал проходку колодца в вечной мерзлоте г. Якутска глубиной 116.4м. Работа в шахте длилась 9 лет, начиная с 1828г. и велась в основном зимой, он вел записи о температуре горных пород в шахте, о глубине сезонного протаивания.

Этим заканчивается 1^ый этап знакомства и изучения вечной мерзлоты, признания западноевропейскими учеными приоритета за русскими в открытии и изучении многолетнемерзлых пород и он совпал с оживленной деятельностью торгового капитала в Сибирь.

2^ой этап связан со строительством Сибирской железной дороги по трассе Забайкальской и Амурской областей и эксплуатацией ее западной части.

Третий, современный период развития геокриологии – советский. В начале он развивался медленно. После решений направленных на индустриализацию страны и перевод части производительных сил в восточные, и северные районы потребовала планомерного изучения состава, свойств, распространения и условий залегания вечномерзлых пород. В первую очередь требовалось обобщить первоначально накопленный материал и отрывочные сведения о вечной мерзлоте. В 1927г была написана и опубликована основоположником мерзлотоведения М. И. Сумгиным первая капитальная работа «Вечная мерзлота почвы в пределах СССР».

Географическое распространение мерзлых пород в России и на земном шаре.

Рис. 3. Карта вечной мерзлоты

Мерзлые породы в виде многолетних, сезонных или кратковременных образований встречаются практически в любой географической зоне Земли, в том числе и в тропиках, например, в Африке. Совсем не встречаются мерзлые породы лишь на равнинах тропической и субтропической зон.

Северное полушарие:

Россия – 9 – 10 млн.кв. км.

Канада – 5.7

Гренландия – 1.6

Аляска – 1.5

МНР – 0.8

Китай (без Тибета) – 0.4

Южное полушарие:

Антарктида – 13.5 млн.кв.км.

Всего около 34.5 млн.кв.км.

Образование многолетних мерзлых пород (ММП).

Процессы охлаждения и нагревания, промерзания и протаивания – основные в развитии мерзлых пород. Они, как и все другие процессы, связаны с движением и превращением энергии и вещества в данном объеме породы. Рассмотрение их и других процессов, происходящих в мерзлых и протаивающих породах, с энергетической точки зрения представляет термодинамический подход к изучению развития мерзлых пород. Такой подход предполагает определение мерзлых толщ, как термодинамических систем, т. е. определение внутренних и внешних параметров, влияющих на изменение их состояния.

Основными параметрами, определяющими состояние Земли как термодинамической системы, кроме температуры и давления, являются внешние и внутренние энергетические воздействия или источники энергии.

К внешним энергетическим источникам Земли относятся:

1) лучистая энергия Солнца и звезд, перехватываемая и поглощаемая Землей;

2) корпускулярное излучение Солнца и звезд, поглощаемое Землей;

3) энергия метеоритов, падающих на Землю и сгорающих в атмосфере;

4) гравитационные воздействия Луны и Солнца

К внутренним источникам энергии можно отнести:

1) энергию, выделяющуюся и превращающуюся внутри Земли при ядерных реакциях;

2) энергию, превращающуюся при изменениях гравитационного поля Земли;

3) энергию, выделяющуюся при изменениях скорости вращения Земли;

4) энергию, выделяющуюся при экзотермических реакциях.

Так как теплообмен Земли с окружающим пространством происходит, гл. образом, в виде поглощения и излучения лучистой энергии, рассмотрим основные закономерности этих процессов.

Тело, на которое падает поток лучистой энергии, может взаимодействовать с последними тремя способами: отражать, поглощать и пропускать сквозь себя лучистую энергию без поглощения.

Отсюда, каждая единица приходящей лучистой энергии распадается на: r – отраженную

а – поглощенную и

b – пропущенную сквозь тело часть энергии,

В действительности, как известно, в природе нет абсолютно черных, белых и прозрачных тел. Любое тело или поверхность частично отражает тепло, частично поглощает падающую на него лучистую энергию.

При рассмотрении энергетического (теплового) баланса Земли следует обратить внимание на следующие четыре обстоятельства.

1. На Землю падает поток коротковолновой радиации Солнца;

2. Поверхность Земли непрерывно излучает длинноволновую радиацию (инфракрасное излучение) с максимумом энергии;

3. Испускание лучистой энергии земной поверхностью в силу своей непрерывности происходит гораздо равномернее, чем поглощение;

4. На характер теплового режима Земли оказывают большое влияние фозовые переходы воды. При увеличении поглощения развиваются процессы таяния и испарения и наоборот, при преобладании лучеиспускания идут процессы конденсации и замерзания воды.

Температурный режим

По характеру влияния геологических и географических процессов на температуру мерзлых пород выделяют три группы:

1) приводящие к переодическим изменениям температурного режима пород;

среди периодических различают:

а) суточные,

б) годовые,

в) многолетние изменения температурного режима почвы.

Суточные и годовые колебания можно непосредственно наблюдать в природе.

Многолетние короткопериодные колебания, в пределах 150 – 200 лет, фиксируются длительными метеорологическими наблюдениями.

2) приводящие к односторонне неправельным изменениям температурного режима почвы;

3) приводящие к единовременным скачкообразным изменениям температурного режима почвы;

Здесь важно знать положение верхней границы почвы, через которую совершается теплообмен между атмосферой и литосферой. Различают три случая:

1) неизменное положение;

2) повышение ее при накоплении осадков;

3) понижение в процессе денудации.

Правильная расшифровка фактических кривых распределения температур по глубине дает богатейшую палеогеографическую информацию. Используя этот метод, в настоящее время ученые восстанавливают историю климатических изменений на протяжении четвертичного периода области вечной мерзлоты.

Так, например, было установлено, что подтаивание пород снизу в Центральной Якутии составляет 1 – 2см/год. Мощность вечной мерзлоты составляет здесь 400 – 600м, что на 200 – 300м больше стационарного режима, соответствующего современным условиям региона. Предполагается, что такая толща образовалась во время последнего оледенения (15 – 20 тыс.лет назад), когда температуры пород были ниже минус 8-12^о, против современных температур – минус 2.5-5^о.

Температурное райнирование области вечной мерзлоты

Температура пород на подошве сезонных колебаний является наиболее общей характеристикой мерзлых толщ, связанной со всеми остальными характеристиками. Это обстоятельство заставляет считать температурное райнирование одним из наиболее важных видов райнирования.

Выбор в качестве основного фактора райнирования температуры пород у подошвы слоя сезонных колебаний и наличие закономерности связи этой температуры с климатическими и другими важнейшими факторами формирования мерзлых пород дает возможность выделить определенные мерзлото-температурные зоны. Выделяется 5 зон с изменениями температур пород:

1 – от 0 до –1⁰; мощность не превышает 30 – 40м

2 – от –1 до –3⁰; мощность порядка 50 – 150м

3 – от –3 до –5⁰; мощность достигает 200 – 250м и больше

4 – от –5 до –10⁰; 400 – 600м и больше.

5 – от – 10⁰ и ниже, обычно относятся к арктическому типу.

Остальные зоны (3,4 и 5) относятся к области сплошного распространения вечной мерзлоты. Вообще с глубиной колебания температуры уменьшаются, т.е. происходит затухание амплитуды годовых колебаний температуры. По геоморфологическим чертам область вечной мерзлоты делится на провинции, оределяющие характер комплекса геологогеоморфологических условий. Основными являются три крупные морфоструктурные единицы: горноскладчатые области;

плоскогорья и плато;

равнины.

Это райнирование довольно хорошо подчеркивает зональность распространения мерзлых пород по сплошности. Первые две зоны соответствуют двум подзонам прерывистого распространения вечномерзлых пород.

СОСТАВ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Мерзлые горные породы являются сложными многофазными и многокомпонентными системами. Основной особенностью состава мерзлых пород является присутствие льда в качестве породообразующего минерала (специфический минерал). Содержание его и формы залегания могут изменяться в широких пределах в зависимости от генезиса, состава, строения, влажности пород и термодинамических условий их существования.

По фазовому состоянию мерзлых горных пород выделяют следующие основные составляющие:

1) твердую, подразделяющуюся на:

а) минеральный или органоминеральный скелет;

б) криогенные минералы (лед, криогидраты и кристаллогидраты), кристализующиеся при отрицательной температуре.

2) жидкую, представленную незамершей при данной температуре и давлении воды с растворенными в ней солями;

3) газообразную (газы и пары воды в дисперсных породах), находящуюся в порах в свободном состоянии, адсорбированную на свободных активных поверхностях и растворенную в воде.

По вещественному составу мерзлая порода представляет собой четырехкомпонентную систему:

1) органо-минеральный скелет;

2) лед;

3) незамерзающая вода;

4) газы.

Все эти компоненты и фазовый состав находятся в мерзлой породе в состоянии подвижного динамического равновесия в связи с колебаниями температуры.

Состав органо-минеральной части мерзлых пород

Мерзлые породы в своем составе содержат лед, который цементирует минеральные частицы или заполняет пустоты, поры и трещины.

Минеральные частицы – это обломки наиболее распространенных в земной коре горных пород: магматических, метаморфических и осадочных и дисперсные грунты (обломочные, песчаные, глинистые, торфяные).

Размер частиц рыхлых отложений, их пространственное соотношение, а также соотношение разной размерности образуют строение рыхлых пород, характеризуемое их структурой и текстурой.

При изучении строения мерзлых пород очень важно правильно установить первичную структуру грунта, ибо с этой характеристикой в значительной мере связано и содержание и условия залегания в нем воды и льда.

Для талых рыхлых пород различают 4 вида структуры:

1) грубообломочную (псефитовую);

2) песчаную (псаммитовую);

3) мучнистую (алевритовую);

4) глинистую (пелитовую).

Текстурным признаком является слоистость, чередование прослоек и линз, неодинаковых по своему гранулометрическому и петрографическому составу, со скоплением на плоскостях наслоения глинистых частиц, чешуек слюды, растительного детрита и т. д.

Различают 4 основных типа слоистости: горизонтальная; волнистая; линзовидная; косая.

В минеральной части рыхлой породы в самом общем виде можно выделить по составу три группы:

1) первичные минералы;

2) вторичные (глинистые) минералы;

3) органическое вещество.

Первичные минералы представлены кварцем, полевым шпатом, слюдами, роговыми обманками и прочими минералами, слагающими изверженные, метаморфические породы и рудные тела. Присутствуют в виде зерен.

Вторичные (глинистые) минералы присутствуют в породах в тонкорассеянном состоянии и образуются за счет химического преобразования первичных минералов в условиях поверхности Земли.

Органическое вещество, накапливаются в результате жизнедеятельностирастений и животных. Они могут слагать значительные слои (торфяники) или находится в виде примесей в песчаных, глинистых и илистых породах. Органические осадки могут быть в мерзлой породе от почти неразложившегося вида до полностью разложившегося вещества – гумуса.

Вода или жидкая фаза мерзлых пород

Жидкая фаза мерзлых, как и талых пород, образуется из воды и растворенных в ней веществ. Несмотря на свою простую химическую формулу (Н₂О), вода является самым аномальным и распространенным веществом в природе.

Вода занимает 75% поверхности планеты, она находится везде и даже огненная лава содержит ее до 12% и более, сам человек на 70% сложен из воды.

Особая структура воды определяет ее необычные физические свойства, делая ее самым аномальным веществом природы.

1. Вода имеет двузначное значение плотности: максимальная плотность при температуре +4^оС - 1г/см³, при понижении температуры (до замерзания) плотность воды уменьшается.

2. При замерзании объем воды увеличивается на 10%, что имеет колосальное значение для подавляющего большинства природных процессов.

3. С ростом давления температура кристаллизации воды понижается, хотя у всех веществ она повышаетя, при давлении 500 атм вода замерзает при –4^о; 220 атм --------------------- -22^оС.

4. Вода имеет свойство сжиматься (плотность на поверхности океана – 1.02 г/см³, а на глубине 10 км – 1.07 г/см³.

5. Аномально высока теплота плавления – кристаллизации воды, что хорошо видно из сравнения с другими веществами: вода – 80 кал/г; сера – 9.5 кал/г; железо – 6 кал/г; свинец – 5.5 кал/г.

6. Аномальна теплота парообразования воды, т.е. теплота, необходимая для превращения в пар единицы массы жидкости.

вода – 536 кал/г; спирт – 178 кал/г; ртуть – 67 кал/г.

7. Очень велико поверхностное натяжение воды, т.е. способность воды уплотняться и стягиваться. За счет этого вода способна удерживать на своей поверхности несмоченные предметы в 8 раз тяжелее.

8. Вода обладает очень важным для хода многих процессов свойством капилярного подъема против действия силы тяжести.

9. Следующая аномалия воды, имеющая огромное значение для процессов промерзание – протаивание горных пород, связана с ее теплоемкостью – количеством тепла, необходимого для изменения температуры единицы массы вещества на 1^о, т.е. теплопроводность льда в 5 раз больше, чем воды и в 100 раз, чем воздуха.

10. При переходе в лед вода скачкообразно меняет многие свои физические свойства.

Вода в горных породах находится в тесном взаимодействии с минеральным веществом, где предложено множество классификаций. Наиболее простой является следующая классификация:

I Парообразная вода.

II Связанная.

5. Гигроскопическая (прочно связанная)

6. Пленочная (рыхло связанная)

III Свободная вода.

1. Капилярная.

2. Гравитационная.

IV Вода в твердом состоянии (лед)

V Кристаллизационная вода

VI Химически связанная вода.

Лед

Важнейшим компонентом мерзлой горной породы является лед.

Появление льда существенно меняет строение, а также физические и механические свойства горных пород.

Кристаллы льда относятся к гексагональной сингонии, они образуют шестигранную призму с одной осью третьего порядка и тремя боковыми осями.

Плотность льда уменьшается по сравнению с водой (0.916 г/см³), а удельный объем, наоборот, увеличивается (1.09 см³/г).

Механические свойства льда зависят от многих условий и среди них важнейшим является величина и длительность приложенной нагрузки. Выделяются три стадии:

стадия упругой деформации;

стадия пластической деформации;

стадия хрупкого разрушения.

Сопротивление льда сжатию и растяжению, как у большинства твердых тел, различается в несколько раз: сжатие (s_с) – 20 ¸ 30 кг/см², растяжение (s_с) – 7 – 8 кг/см². Эти величины характерны для льда с относительно высокой отрицательной температурой, а при ее понижении прочность льда существенно возрастает.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ ГОРНЫХ ПОРОД, ИХ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

Миграция воды

Процесс промерзания связан с переходом хотя бы части заключенной в породе воды в лед.

Известно, что при промерзании пород происходит либо кристаллизация воды на месте, либо ее перераспределение.

Причем лабораторными опытами и наблюдениями в природе установлено, что миграция воды может происходить в разных направлениях – либо от фронта промерзания, либо к фронту промерзания. С миграцией воды связаны особенности строения мерзлых пород, их криогенная текстура, процессы пучения и др.

Миграция воды и ее интенсивность зависят от состава породы.

При промерзании грубозернистых и грубообломочных пород происходит отжатие воды от фронта промерзания. Избыточное количество воды, отжимаемое от фронта промерзания, либо стекает в различные понижения (овраги, реки, озера и т.п.), либо внедряются в ослабленные участки грунта и затем замерзает, образуя линзы и пласты чистого льда (инъекционный лед).

Лед, заполняющий поры в песках и других грубозернистых породах, принято называть цементным.

При промерзании тонкодисперсных пород (супеси, глины) происходит безнапорная миграция к фронту промерзания, в результате чего влажность (льдистость) таких пород может оказаться выше, чем талых. Здесь образуются горизонтальные прожилки льда толщиной от нескольких миллиметров до 10см и более. Такие прожилки льда (шлиры) получили наименование сегрегационного льда.

Таким образом, процессы льдообразования протекающие в грунтах образуют два основных типа льда: цементный и сегрегационный. Они являются основными породообразующими компонентами мерзлой породы и участвуют в формировании ее строения.

Криогенное строение горных пород

Любое вещество, в том числе и горная порода, обладают строением, т.е. пространственным взаимоотношениями составных частей, компонентов.

В строении горных пород принято различать две взаимосвязанные стороны, объединяющие признаки разного масштаба – структуру и текстуру.

Структура – особенность строения горных пород, обусловленная размером, формой и ориентировкой их составных частей.

Текстура – особенность строения, обусловленная пространственным взаимоотношением минерального скелета и породообразующего льда.

Принято различать три типа структур льда:

1. аллотриоморфнозернистая,

2. гипидиооморфнозернистая,

3. призматическизернистая.

Аллотриоморфную структуру образуют кристаллы льда неправильной формы, различного размера и с хаотической ориентировкой геометрических и оптических осей. Характерна для цементного льда.

Гипидиоморфная структура характеризуется относительно правильной формой зерен, наличием преобладающей ориентировки геометрических осей и более крупными размерами. Она свойственна для сегрегационного льда.

Призматическую структуру образуют кристаллы льда правильной призматической формы с упорядоченной кристаллографической ориентировкой, в которых обычно геометрические оси совпадают с главной оптической осью. Это наиболее крупные кристаллы, достигающие в толщину и длину нескольких десятков сантиметров (иногда более 1м). Такая структура характерна для наледей, ледяных покровов водоемов (озер, морей, рек).

Текстура горных пород выражается обычно в терминах слоистости, сланцеватости, отдельности и т.п.

В природе существует бесконечное множество морфологических видов криогенных текстур. Среди них выделяют массивные и такситовые.

Криотексту́ра (криогенная текстура) — система ледяных включений в мерзлом грунте. Определяется формой, величиной, взаиморасположением ледяных образований.

Характер криотекстуры зависит от состава и строения горных пород, влажности перед промерзанием и особенностей самого промерзания.^[1]Среди геокриологов (мерзлотоведов) и криолитологов, несмотря на некоторые расхождения, принято выделять два основных типа криотекстуры: массивную, когда лед цементирует грунтовые частицы, и шлировую, когда лед образует прослойки-шлиры, линзы и пр.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: