8.6. Вічна мерзлота

Одне із важливих геофізичних явищ - вічна або багаторічна мерзлота. Мерзлими називають породи, ґрунти з від'ємною або нульовою температурою, у яких хоча б частина води перетворилася на лід. Отже, лід - невід'ємна частина мерзлих порід і в мерзлоті він є породотворчим мінералом. Сухі породи з від'ємною температурою, що не містять льоду, називають морозними, а породи, насичені соляними розчинами або розсолами (кріопегами), називають охолодженими. Строго кажучи, терміни "вічномерзлі породи", "вічна мерзлота" не зовсім правильні. Одні з мерзлих порід існують протягом годин, діб (короткочасно мерзлі), другі - протягом місяців (сезонно мерзлі), треті - протягом років, сотень, тисяч років (багаторічне мерзлі). Якщо шар сезонно мерзлих порід у холодне літо не встигне відтанути до кінця, виникає так званий переліток, який може проіснувати кілька років. Мерзлі породи дуже поширені на Землі. Приблизно четверта частина суходолу постійно знаходиться в мерзлому стані. Південна межа багаторічне мерзлих порід у Європі починається на північній половині Кольського півострова, поширюється на схід до гирла Мезені та широтного коліна Печори, потім спускається на південь уздовж західного схилу Уралу. У Західному Сибіру південна границя проходить по широтному відрізку Обі до Єнісею біля гирла Підкам'яної Тунгуски, де вона спускається на південь у Монголію і Китай. На Далекому Сході південна границя багаторічної мерзлоти пролягає північніше Амура, захоплює гори Сіхоте-Аліню та Камчатки, а на півночі багаторічне мерзлотні товщі сягають під великий шельф та включають острови Північного Льодовитого океану. У високогірних частинах Алтаю, Тянь-Шаню, Паміру та Кавказу теж є багаторічне мерзлі породи. Більше 50 % Канади та 80 % Аляски займає багаторічна мерзлота. Вона також розвинута на відкритих від льоду ділянках і під крайовими частинами льодовикових покровів Гренландії та Антарктиди. Навіть у жаркій Африці, на вершиш гори Кіліманджаро, теж є мерзлота. Єдиний континент, де її немає - це Австралія. Природно, що сезонно мерзлі ґрунти, які повністю відтаюють у теплу пору року, поширені ще більше. Наявність або відсутність мерзлоти визначається температурним режимом порід, який, у свою чергу, нерозривно пов'язаний з тепловим балансом земної поверхні, що характеризує теплообмін між нижнім шаром атмосфери та поверхнею ґрунту. Глибина залягання мерзлоти тим більша, чим нижча температура на її поверхні. У тій кліматичній зоні, де середня температура на рівні затухання річних коливань температури ґрунту дорівнює 1 - 3°С морозу, потужність мерзлоти зазвичай становить 30 - 150 метрів, а при середній температурі на цьому рівні менше 10°С морозу потужність мерзлоти вже становить 400 - 600 метрів при малій теплопровідності мерзлих порід, і до 1500 метрів при великій теплопровідності мерзлих порід.

Розглянемо детальніше питання про сезонну та багаторічну мерзлоту. Як відомо, взимку у високих та помірних широтах радіаційний баланс земної поверхні від'ємний, у результаті чого на поверхні ґрунту встановлюються від'ємні температури й ґрунт починає промерзати в глибину. В області поширення сезонної мерзлоти величина тепло-обертів, що йдуть при від'ємних температурах, менша від величини тепло-обертів при додатних. Тому на відтаювання сезонно мерзлого шару ґрунту витрачається лише частина додатних тепло-обертів, друга їх частина витрачається на нагрівання порід усього шару річних коливань температур. В області поширення багаторічної мерзлоти величина додатних тепло-обертів менша від від'ємних і влітку відтаює малопотужний верхній шар багаторічної мерзлоти, і на танення витрачається весь додатний тепло-оберт. Узимку ж лише частина від'ємного тепло-оберту витрачається на промерзання сезонно талого шару, решта йде на охолодження порід усього шару річних коливань температур. Викладена схема плавного переходу сезонної мерзлоти в багаторічну враховує лише широтну зональність змін температур. Однак такі чинники, як крутизна схилів, їх експозиція, рослинний і сніговий покрив, водні та теплофізичні властивості порід тощо можуть істотно розмивати межу сезонної та багаторічної мерзлоти, що й проявляється у вигляді острівного залягання багаторічне мерзлих товщ. Утворення багаторічне мерзлих товщ ще повністю не вивчене. Його пов'язують, зазвичай, з льодовиковими періодами в історії Землі. Але цей зв'язок не настільки очевидний, оскільки утворення льодовикових покровів та вічної мерзлоти потребують досить різноманітних кліматичних умов. Так, розвиток льодовиків можливий при холодному та вологому кліматі, коли випадає багато снігу, що не тане в літній період. Розвиткові ж багаторічне мерзлих товщ сприяє сухий, різкоконтинентальний клімат з сильними морозами, малосніжною зимою та сухим холодним літом. Найдавніші сліди вічної мерзлоти відмічені на Колимі, на півночі Канади та на Алясці, її вік становить біля 2 млн. років.

На завершення відмітимо, що мерзлота ускладнює землеробство та пригнічує деревну рослинність, вона зменшує кількість підземних вод, ускладнює будівництво жител, промислових підприємств, залізниць, нафтопроводів, тощо оскільки протаювання її під будівлями порушує рівновагу вологого ґрунту й призводить до деформації та швидкого руйнування будівель, зсуву земельних відкосів та ін. Водночас через досить низьку від'ємну температуру, що практично не змінюється в часі, вічна мерзлота є чудовим природним холодильником. Підтвердженням цьому є знахідки неушкоджених трупів мамонтів та інших тварин льодовикового періоду в багаторічне мерзлотних ґрунтах. Пролежавши у "вічному" холоді десятки тисяч років, вони збереглися настільки добре, що їх мускульна тканина не втратила рожевого кольору. Жителі районів поширення вічної мерзлоти здавна використовували її для зберігання продуктів харчування, які швидко псуються. Зараз у деяких сибірських містах у товщі мерзлих гірських порід побудовані великі природні холодильники - мерзлотники. Вони міцні й практично не потребують додаткового укріплення стін і стелі, служать довго та надійно. Протягом року температура в них практично не змінюється.