6. Сезонное промерзание и оттаивание пород

Сезонное промерзание верхней части горных пород широко развито на территории России и многих других стран. Формирова­ние сезонномерзлого слоя (СМС) происходит в зимнее время за счет охлаждения и промерзания сверху немерзлого массива горных пород. Поэтому СМС обязательно подстилается талыми породами. В зависимости от широты и высоты местности сезонное промерза­ние пород может быть именно сезонным (в течение зимы) или крат­ковременным (в течение месяца или даже нескольких дней). Терри­тория с развитием только СМС горных пород называется областью сезонной мерзлоты.

В результате оттаивания верхних слоев мерзлых горных пород в теплый период года формируется сезонноталый слой (СТС). При этом среднегодовая температура на подошве СТС и в подстилающих мерзлых породах остается отрицательной, и СТС обязательно под­стилается многолетнемерзлыми горными породами. Поэтому сезон­ное оттаивание горных пород происходит только в области распро­странения многолетнемерзлых пород, и при очередном зимнем про­мерзании СТС обычно сливается с многолетнемерзлой толщей.

ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ СЕЗОННОЕ ОТТАИВАНИЕ И ПРОМЕРЗАНИЕ ПОРОД

Потенциальное сезонное оттаивание — это макс. возмож­ное оттаивание горных пород в области сезонной мерзлоты, которое произошло бы при полном использовании теплооборотов при положи­тельных температурах (в теплый период года). обычно ограничено мощностью СМС. приводит к тому, что одна часть теплооборотов теплого периода расходуется на оттаивание СМС, а другая — на нагревание пород слоя годовых колебаний температур.

часть теплооборотов при отрицательных температурах (в холодный период года) расходуется на промерзание СТС, а другая часть — на охлаждение пород слоя годовых колебаний температур.

Определение глубин потенциального сезонного оттаивания и промерзания горных пород в зависимости от широты и высоты ме­стности имеет важное практическое значение, так как при любом хозяйственном освоении территории (строительстве, агротехниче­ских мероприятиях и т. п.) необходимо знать интенсивность мерз­лотного процесса, его направленность и годовую динамику.

область сезонного промерзания по мере движения с юга на север постепенно сменяется областью многолетнемерзлых по­род с сезонным оттаиванием. При этом происходит переход среднего­довых температур горных пород от положительных через О °С к отри­цательным. В северном направлении возрастает также глубина сезон­ного промерзания пород. При среднегодовой изотерме горных пород в О °С глубины сезонных промерзания и протаивания пород максималь­ны и равны. К югу и северу от нулевой среднегодовой изотермы эти глубины уменьшаются. Кроме того, при нулевой изотерме слой годо­вых колебаний температур минимален и равен мощности СТС и СМС.

Перелетки — это не протаявшие полностью в теплый период года СМС, которые не представляют собой многолетнемерзлые гор­ные породы. Мощность перелеток обычно 0,5—2,0 м. Районами их широкого развития являются южные границы распространения мно­голетнемерзлых пород.

ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Влияние снежного покрова па динамику и глубину сезонного промерзания и оттаивания горных пород неоднозначно. Снег, обла­дая высоким альбедо (до 0,85), повышает отражательную способ­ность земной поверхности и сокращает количество поглощенной солнечной радиации. Поэтому при малой мощности снежного по­крова преобладает его отражательная способность, что приводит к охлаждению нижележащей земной поверхности. С увеличением мощности снега начинает проявляться все в большей степени его отепляющее влияние на подстилающие почвы и горные породы. Однако слишком большая мощность снежного покрова, особенно в высоких широтах, требует больших затрат тепла на снеготаяние в теплый период, что также приводит к охлаждению земной поверх­ности и даже сохранению части снега в течение всего года.

Следует подчеркнуть, что температурный режим пород под снежным покровом и степень отепляющего влияния снега зависят от теплооборотов в почве и подстилающих породах для данного рай­она. Чем больше теплообороты, тем больше отепляющее влияние снега, и наоборот. При этом следует учитывать, что за счет фазовых переходов воды годовые теплообороты в породе могут изменяться в 1,5—2 раза. В связи с этим и отепляющее влияние снежного покрова может изменяться в 1,5—2 раза.

При малой мощности или отсутствии снежного покрова (мало­снежная зима) в области сезонного промерзания (средние широты) происходит значительное увеличение глубины сезонного промерза­ния пород. в области многолетнемерзлых пород глубина их сезонного оттаивания определяется в основном летними теплооборотами в грунте и практически не зависит от мощности или отсутствия снежного покрова зимой.

Отепляющее влияние снежного покрова определяется не только его мощностью, но и в значительной степени зависит от состава под­стилающих пород, их влажности, характера и состояния растительно­го покрова, широты и рельефа местности, т. е. от всего комплекса природной обстановки и состояния окружающей среды. При этом ча­стные природные особенности конкретной территории, такие как экс­позиция склона и его крутизна, динамика зимних температур, степень загрязнения снега и ряд других, также оказывают свое воздействие на характер и мощность снежного покрова и его влияние на динамику и глубину сезонного промерзания и оттаивания горных пород.

ВЛИЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

Тундровая, лесная и степная растительность в значительной степени определяет обмен тепла и влаги между горными породами и атмосферой, непосредственно влияет на температурный режим грунтов и глубину их сезонном) промерзания и оттаивания. Типы раститель­ности в зависимости от их состояния и сезона года имеют существен­ные различия в альбедо, что обуславливает своеобразие в отражении и поглощении солнечной энергии.

растительный покров предохра­няет почву от летнего прогревания и зимнего охлаждения, что при­водит к сокращению сезонных и годовых амплитуд колебания тем­пературы в верхних слоях горных пород. Теплоизолирующие свой­ства растительности проявляют себя наиболее существенно в лесных заболоченных массивах, где лесная подстилка и торф оказы­вают непосредственное влияние на обмен тепла и влаги между поч­вой и воздухом. Под мощным слоем моховых торфяников сокраще­ние годовых амплитуд колебания температуры грунтов может дос­тигать 60, иногда даже 90 %.

За счет изменения среднегодовой температуры грунтов и амплитуды ее колебания на поверхности земли растительность влияет на глубину сезонного промерзания и оттаивания. в южных районах сильнее проявляется охлаждающее влияние растительного покрова, а в северных — отепляющее. Сведение лесов или угнете­ние растительности в северных районах распространения многолет­немерзлых пород приводит к значительному увеличению глубины сезонного промерзания и незначительному изменению глубины се­зонного оттаивания грунтов, так как отсутствие растительности в этих районах нарушает зимний температурный режим и почти не изменяет летний. снятие растительного покрова в южных районах распространения многолетнемерзлых пород приво­дит к увеличению сезонного оттаивания почв за счет повышения их среднегодовой температуры и амплитуды ее колебания на поверхно­сти земли. изучение взаимовлияния почвенных, рас­тительных и мерзлотных условий в пределах конкретных террито­рий позволяет использовать виды растительности и их состояние как геоботанический индикатор при мерзлотной съемке.

ВЛИЯНИЕ ВОДОТОКОВ И ВОДОЕМОВ

Зимой под руслами непромерзающих до дна крупных рек по­роды обычно талые. Температура их в холодный сезон может быть на несколько градусов выше, чем на водоразделе. температура донных отложений и пород низких тер­рас и пойм превышает температуру горных пород на водоразделе на 1 °С и больше. зимой под руслом наблюдается сквозной талик, если ширина реки больше мощности окружающей многолетнемерзлой толщи. При ширине реки меньше этой мощности талики формируются маломощными и несквозными. Под промерзающими до дна неширокими мелкими реками донные отложения всегда мерзлые.

При меандрировании равнинных рек в их пойме могут образо­вываться мерзлые слоистые породы в результате многолетнего пе­риодического промерзания таликов. Переслаивание мерзлых и та­лых пород в пойме и низких террасах формируется и по другим причинам. в период весеннего подъема воды в реке возникает эффект берегового регулирования или боковой фильтра­ции речных вод в берега. При переслаивании в разрезе глинистых отложений с галечниками с большим коэффициентом фильтрации последние довольно быстро оттаивают, а глинистые слои остаются в мерзлом состоянии, так как слабо или вообще не фильтруют воду.

Талик в донных отложениях под пресным озером образуется только в том случае, если его глубина больше толщины формирую­щегося в зимний период ледового покрова. При этом талик будет сквозным, если мощность окружающих озеро многолетнемерзлых пород меньше его ширины. При меньшей ширине пресного озера обычно образуется несквозной талик.

В соленом озере высококонцентрированный рассол имеет мак­симальную плотность при температуре от -15 до -20 °С. На дне таких озер температура может быть отрицательной не только зимой, но и летом, так как конвекция в водной массе в таких случаях себя практически не проявляет, а теплопроводность рассола очень низка. В связи с этим температура на дне озера может быть отрицательной зимой и летом под влиянием опустившегося на дно плотного пере­охлажденного зимой слоя рассола. Поэтому донные отложения про­мерзают даже при глубине соленого озера, гораздо большей толщи­ны льда в этом водоеме. Однако многолетнемерзлые породы на дне формируются только в случае насыщения донных отложений пре­сными водами. Если же донные отложения содержат не замерзаю­щие при данной температуре соленые растворы, то промороженные на дне породы следует относить к морозным.