конспект 3, сыпачев

7

Мерзлотоведение

Конспект № 3

5. СЕЗОННОЕ ПРОМЕРЗАНИЕ И ОТТАИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Общие положения

Как отмечалось выше основной причиной сезонного промерзания, и оттаивания пород верхней части литосферы являются годовые теплообороты в них, приводящие к переходу температуры через 0⁰С.

Сезонное промерзание представляет собой промерзание талых пород, имеющих среднюю годовую температуру выше 0⁰С. Слой сезонного промерзания подстилается немерзлыми породами и образуется за счет теплооборотов, идущих при отрицательных температурах в зимний период времени года.

Сезонное оттаивание представляет собой протаивание мерзлых пород, имеющих среднюю годовую температуру ниже 0⁰С. Слой сезонного оттаивания подстилается многолетнемерзлыми породами и образуется за счет теплооборотов, идущих при положительных температурах в летний период времени года.

Схематически, переход слоя сезонного промерзания в слой сезонного оттаивания изображен на рис. 5.1.

Пространственно при движении с юга на север, перпендикулярно геоизотермам, область сезонного промерзания переходит в область многолетнемерзлых пород и их сезонного оттаивания.

Кривая I на схеме изображает изменение глубины сезонного промерзания (сплошная линия) в области немерзлых пород и глубин потенциального сезонного промерзания (пунктирная линия) в области многолетнемерзлых пород.

Юг Южная граница Север

многолетнемерзлых пород

Рис. 5.1. Схема перехода слоя сезонного промерзания пород в многолетнемерзлую толщу со слоем их сезонного протаивания при движении с юга на север (по В.А. Кудрявцеву 1):

1- слой сезонного промерзания; 2 – слой сезонного оттаивания; 3- слой сезонных колебаний положительных температур пород; 4 – слой сезонных колебаний отрицательных температур пород.

На южной границе области распространения многолетнемерзлых пород (tср = 0⁰С) глубины сезонного промерзания и оттаивания пород равны друг другу и достигают максимальных значений. К югу и северу от этой точки они уменьшаются. Величины потенциального сезонного промерзания и потенциального сезонного оттаивания пород при tср = 0⁰С равны обычному сезонному промерзанию и оттаиванию, а к югу и северу – увеличиваются.

При tср = 0⁰С теплообороты определяющие формирование слоя сезонного промерзания и оттаивания так же равны и полностью гасятся в этих слоях. К югу и северу от этой границы, часть теплооборотов идет на формирование слоев сезонного промерзания или протаивания, а часть на изменение сезонных колебаний температур пород (рис.5.1.).

В инженерной практике, достаточно часто слои сезонного промерзания и протаивания называют деятельным слоем. В этом слое активно протекают физические, физико-химические и мерзлотные геологические процессы и явления, которые определяют характер криогенного строения и физико-механические свойства мерзлых пород.

Мощность деятельного слоя зависит от комплекса физико-географических и геологических факторов и меняется в широких пределах, от первых сантиметров до 3-5м, реже достигает 8-10м. Она определяется совокупностью природных условий на поверхности Земли.

Процессы сезонного промерзания и оттаивания зависят от плотности и мощности снежного покрова, характера растительного покрова, увлажнения поверхности и других факторов. Особую роль в сезонном промерзании играют моховой покров и торф.

На глубину сезонного оттаивания влияют и фильтрационные свойства горных пород. Чем больше величина фильтрации, тем больше глубина оттаивания.

В инженерной практике большое значение имеют задачи определения глубин сезонного промерзания и оттаивания горных пород.

5.2. Классификация типов сезонного промерзания и оттаивания горных пород

Современная классификация сезонного промерзания и оттаивания горных пород разработана В.А. Кудрявцевым в 1951г. В ее основе лежат четыре параметра: 1) среднегодовая температура пород; 2) амплитуда колебания температуры воздуха на поверхности Земли; 3) литологический состав пород; 4) влажность пород. Первые два признака определяются величиной полугодовых теплооборотов пород связанных с их промерзанием и протаиванием. На их основе выделяются географические типы, отражающие широкую зональность и высотную поясность теплообмена на поверхности Земли. Вторые два признака отражают региональную неоднородность литолого-влажностных условий в пределах каждого географического типа сезонного промерзания и оттаивания пород. Каждый из этих четырех параметров служит градацией для разделения на типы и разновидности типов сезонного промерзания и сезонного оттаивания горных пород.

Классификация типов сезонного промерзания и сезонного оттаивания пород, разработанная В.А. Кудрявцевым, представлена в виде таблицы на рис. 5.2. Она базируется на классификационной основе предложенной П.И. Колосковым.

Наиболее частые периодические колебания температуры наблюдается в интервале среднегодовой температуры ±1 – переходные типы сезонного промерзания и сезонного оттаивания пород. В пределах t_ср от+1 до+2 и от–1 до–2 выделены полупереходные типы сезонного промерзания и оттаивания грунтов. Через 0º здесь среднегодовая температура грунтов совершается эпизодически.

В пределах t_ср от ±2 до ±5^о подобные переходы связаны с длительными периодами, или существенными изменениями условий теплообмена. Поэтому типы промерзания или оттаивания здесь названы длительно устойчивыми.

В областях, где t_ср изменяется в пределах +5 до +10 и от–5до–10 и маловероятны ее переходы через 0º выделены устойчивые типы сезонных промерзаний и оттаивания грунтов.

За пределами этих областей выделяются к югу – южный тип, t_ср пород изменяется от +10 до +14 , субтропический со t_ср от +14 до +18 и тропический тип промерзания почвы, когда t_ср почвы выше +18 ºС; к северу арктический тип сезонного оттаивания, если t_ср пород от –10 до –15 и полярный, если t_ср от–15до –20 С т.е. здесь вечная мерзлота начинается прямо с дневной поверхности.

В зависимости от величины амплитуды колебания температуры на поверхности почвы выделяются следующие типы сезонного промерзания или оттаивания:

1. амплитуда –7–5^о – морской тип, свойственный морским побережьям умеренных широт;

2. амплитуда 7,5–11^о – умеренно морской тип, встречающийся на северных морских побережьях;

3. амплитуда от 11 до 13,5 – умеренно-континентальный в континентальной части России;

4. амплитуда от13,5 до 17– континентальный тип развит вдали от морских побережий, на обширных низменностях страны;

5. амплитуда от17 – 21 –повышенно-континентальный тип;

6. от 21до 24–резко континентальный тип;

7. амплитуда 24 – особо резко континентальный тип на плоскогорьях азиатского материка.

Типы по Ао Типы по tср	tcр С0	Мор- ской		Умеренно мор-ской	Умерен-но конти нен- таль ный	Конти- нента-ль- ный	Повы шенно –конти ненталь ный	Резко- конти- ненталь ный	Особо резко- конти- нен-таль ный
Субтропический		Сезонное промерзание	-	-	-		+	+	+
Южный			-			+	+	+	+
Устойчивый			-		+	+	+	+	+
Длительно- устойчивый				+	+	+	+	+	+
Полупереходный
0 Переходный
Переходный
Полупереходный
Длительно- устойчивый		Сезонное промерзание		+	+	+	+	+	+
Устойчивый			-		+	+	+	+	+
Арктический			-			+	+	+	+
Полярный -tcp C			-	-	-		+	+	+

Рис. 5.2. Классификация типов сезонного промерзания и оттаивания пород по среднегодовым температурам и амплитудам температур на поверхности по В.А. Кудрявцеву

Предложенная классификация позволяет выявлять общие закономерности широтной зональности в распределении глубины сезоннопромерзающих и сезоннооттаивающих горных пород. Она выявляет главнейшие природные факторы, определяющие глубины сезонного промерзания и оттаивания. С ее помощью достаточно точно может быть рассчитана мощность деятельного слоя для любого географического места при условии одновременного учета всех ведущих характеристик: среднегодовой температуры, амплитуды колебания среднемесячных температур, литологического состава пород и их влажности.

5.3 Влияние различных факторов на формирование температурного режима и глубины сезонного промерзания и оттаивания пород

Закономерность изменения глубины сезонного промерзания (ξ_пр) и глубины сезонного оттаивания (ξ_от) пород в зависимости от t_ср. Для районов с морским климатом, где амплитуды средней температуры невелики, характерна незначительная глубина промерзания и оттаивания почв, а для районов с резко континентальным климатом – более значительная.

Влияние радиационно – теплового баланса на глубину промерзания и оттаивания горных пород связано с отрицательной и положительной частями теплооборота в них. Отрицательная часть годового теплооборота определяется главным образом эффективным излучением, а на величину положительного теплооборота существенное влияние оказывают практически все составляющие радиационно – теплового баланса. Поэтому зависимость глубины сезонного промерзания пород (ξ_пр) от радиационно теплового баланса поверхности может быть выражена следующим образом:

ξ_пр = , (5.1)

где R - сумма отрицательного радиационного баланса за период охлаждения поверхности; остальные обозначения те же, что и в разделе 4.

Зависимость глубины сезонного оттаивания пород (ξ_от) радиационно – теплового обмена на поверхности следует из уравнения

ξ_от = , (5.2)

где R, LE и Р определяются для полупериода нагревания поверхности.

Влияние снежного покрова на глубину промерзания или оттаивания. Снежный покров изменяет характер радиационно – теплового баланса на поверхности. Снег резко изменяет альбедо поверхности, повышая ее отражательную способность, в результате сокращается количество поглощенной солнечной радиации. Одновременно с этим, почва отдает полученное летом тепло, а снег как теплоизолятор предохраняет почву от зимних теплопотерь. Влияние снега на глубину промерзания сложно. Охлаждающая и теплоизолирующая роль выглядит следующим образом (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Изменение влияния снежного покрова на температурный режим подстилающих пород в зависимости от его мощности

Если снег имеет малую мощность (до h₁), то преобладает его роль как отражателя солнечных лучей, а теплоизолирующие свойства незначительны. При увеличении мощности снега от h₁ до h₂ преобладает его отепляющее влияние. С увеличением мощности снега от h₂ до h₃ большое количество тепла его таяние и значительная часть солнечных лучей отражается его поверхностью. Снег в этом случае является охлаждающим фактором для пород. Если мощность снега достигает величины h₄, то он не успевает растаять в летний период. Образуются снежники и ледники.

В области сезонного промерзания при снятии (очистке) или отсутствии снежного покрова наблюдается значительное увеличение глубины сезонного промерзания пород.

Влияние растительного покрова. Растительность находясь на границе атмосферы и литосферы значительно влияет на обмен тепла и влаги между ними, и в конечном счете на температурный режим горных пород. Различия растительности обуславливают разницу в альбедо земной поверхности.

Отложения торфа, покрывающие болота и заболоченные земли и мхи осложняют процесс обмена тепла и влаги между атмосферой и литосферой. Влажные моховые и торфяные покровы, обладая значительной влагоёмкостью, имеют высокую теплопроводность в мерзлом состоянии. Это понижает среднюю температуру почвы на 1–3%, за исключением районов с мощным снежным покровом, где наблюдается обратная зависимость, т.е. отепляющее действие растительного покрова зимой будет больше, чем охлаждающее летом.

В общем случае растительный покров предохраняет почву от летнего прогревания и зимнего охлаждения.

Влияние рельефа и экспозиции склонов. Среднегодовая температура пород изменяется от высоты местности. С повышением отметки на 100м среднегодовая температура воздуха понижается на 1–1,2^оС. В зависимости от этого понижается средняя температура пород. С высотой местности увеличивается и уменьшается пород, что отражает высокую зональность теплообмена на поверхности.

Расположение участков относительно стран света, т.е. экспозиция склонов, также сильно влияет на теплообмен в почве и на глубину ее промерзания и оттаивания.

На южных склонах t_ср выше, чем на северных, так как южные склоны интенсивнее обогреваются солнцем. Следовательно, глубина промерзания и оттаивания пород различны.

В области сезонного промерзания на склонах разной экспозиции породы промерзают почти на одну и ту же глубину. Поэтому здесь могут влиять другие факторы (снег, растительность, микроклимат и т.д.)

Влияние водного покрова. Под руслом крупных рек, непромерзающих зимой до дна, породы талые. Если ширина реки больше мощности окружающей многолетней мерзлой толщи, то под руслом наблюдается сквозной талик. Если же ширина реки меньше этой мощности. То талик может быть несквозным или его может совсем не быть.

В районе пресных озер если глубина больше толщины льда, то под ним образуется талик. При ширине озера большей, чем мощность толщи мерзлых пород талик является сквозным, При меньшей ширине вероятно образование несквозного талика.

Влияние заболоченности. В районах с малоснежной зимой болота являются охлаждающим фактором. Летом много тепла идет на испарение влаги, поэтому заболоченные породы менее нагреваются, чем сухие. Зимой, при малом снежном покрове в процессе быстрого промерзания образуется много льда. Весной много тепла идет на фазовые переходы воды при таянии этих почв. В районах с большим снежным покровом болота являются отепляющим фактором.

Влияние состава и влажности горных пород. Более грубодисперсные породы промерзают и протаивают на большую глубину по сравнению с тонкодисперсными. Грубодисперсные породы более теплопроводны, но менее теплоемкие. С повышением дисперсности породы ее коэффициент теплопроводности уменьшается, а теплоемкость возрастает.

Изменение теплопроводности мерзлых пород в связи с изменением влажности характеризуется несколько иной зависимостью. При малых влажностях наблюдается уменьшение теплопроводности мерзлых пород. Когда отдельные кристаллы льда ухудшают тепловые контакты между минеральными частицами.

Динамика процесса сезонного промерзания и сезонного оттаивания горных пород. Среднегодовая температура воздуха в любой точке не остается постоянной, а изменяется из года в год. В соответствии с изменением средней температуры воздуха изменяется средняя температура пород. Наиболее частые изменения происходят при t 0±1^ºС, т.е. совершаются взаимные переходы сезонного промерзания и сезонного оттаивания почв.