конспект 4, сыпачев

5

Мерзлотоведение

Конспект №4

6. МНОГОЛЕТНЕЕ ПРОМЕРЗАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

6.1. Основные исходные положения современной теории развития многолетнемерзлых пород

Основные исходные положения современной теории развития многолетнемерзлых пород разработаны профессором В.А. Кудрявцевым.

Формирование и развитие многолетнемерзлых толщ определяется следующими основными особенностями природных условий.

1. Геолого-структурными особенностями верхних горизонтов литосферы, характером залегания и сложения горных пород, их строением, генезисом и составом, процессами диагенеза, эпигенеза, метаморфизма. Процессами осадконакопления и денудации, неотектоническими движениями, общей историей геологического развития.

2. Влагообменом, между атмосферой и литосферой, гидрогеологическими условиями, характером гидрогеологических структур, условиями питания, разгрузки, циркуляции, режимом и химическим составом подземных вод.

3. Экзогенными и другими процессами, протекающими на поверхности Земли, обусловливающими формирование рельефа, водотоков и водоемов, растительного и снежного покрова, почв, а также хозяйственной деятельности человека.

4. Климатическими условиями, определяющими характер радиационно-теплового баланса на поверхности Земли и теплообмена между атмосферой и литосферой с учетом особенностей вышеперечисленных условий.

Сезонномерзлые породы существуют в течение нескольких месяцев, а многолетнемерзлые толщи – геологически длительные отрезки времени. Особенности геологических и географических условий оказывают разное влияние на формирование мерзлых толщ, но определяет формирование пород сезонномерзлого слоя. В свою очередь, гидрогеологические структуры не влияют на глубину сезонного промерзания, но определяют формирование толщ многолетнемерзлых пород. Поэтому при формировании сезонно- и многолетнемерзлых пород необходимо учитывать разнообразные геологические и географические факторы и условия теплообмена, протекающего на поверхности.

6.2. Теория В.А. Кудрявцева развития

многолетнемерзлых толщ

Современная динамика развития многолетнемерзлых толщ, по В.А. Кудрявцеву, определяется в зависимости от геологической и географической истории Земли и в тесной связи с законами теплофизики. Этим определяется его подход к изучению динамики мерзлых толщ.

Криолитозона возникает, существует и развивается в результате специфических условий теплообмена на поверхности Земли между атмосферой и литосферой. Обычно на поверхности Земли наблюдается множество периодических колебаний температуры с различными периодами (Т) и амплитудами (А), начиная с суточных и годовых и до многолетних с периодами Т₁ = 11 лет, Т₂ = 40 лет, Т₃ = 300 лет, … Т_n =1800 и более лет /1 /.

Сложность температурных условий на поверхности схематически показана на рис. 6.1. где представлен результат наложения (кривая IV) трех колебаний: I – десятилетних (Т₁=10) с А = 0,5⁰; II – сорокалетних (Т₂ = 40 лет) с А₂ = 1⁰ и III – трехсотлетних (Т₃ = 300 лет) с А₃ = 2⁰. Реальные температурные кривые еще сложнее.

Исследуя глубину и скорость распространения в толще земной коры колебаний температуры с различными периодами, В.А. Кудрявцев принимает следующие положения:

1. амплитуда колебаний температуры с различными периодами затухают с глубиной тем скорее или распространяются на тем меньшую глубину, чем меньше период (Тi);

2. фазы колебаний температуры пород запаздывают во времени с глубиной;

3. с возрастанием глубины колебания с более короткими периодами (Тi) постепенно исключаются и ниже остается наложение все меньшего числа колебаний с более длинными периодами (Тi).

Рис. 6.1. Колебания температуры поверхности Земли с периодами (Т) и амплитудами (А): I – Т = 10лет, А = 0.5⁰; II – Т = 40 лет, А = 1⁰; III – Т = 300 лет, А = 2⁰; IV – результирующая кривая

Кроме верхних граничных условий, к которым относятся средние температуры на поверхности мерзлой толщи (t ср), амплитуды колебаний температуры на поверхности (А) и периода колебаний (Т) учитываются литологические особенности мерзлых пород, через их теплофизические показатели (коэффициент теплопроводности - ; теплоемкости – С; теплоту фазовых переходов влаги – Qф) и нижние граничные условия через геотермический градиент в подстилающих талых толщах (g).

Таким образом, максимальная глубина многолетнего промерзания является функцией вышеуказанных параметров, т.е.

 = f (Аср, tср, Т, , С, Qф, g), (6.1.)

Кроме этого, следует отметить, что при особенно длительных периодах колебаний температуры поверхности на динамику многолетнего промерзания и оттаивания могут влиять такие геологические процессы, как денудация, осадконакопление, неотектонические движения и другие.

Таким образом, развитие мерзлых толщ, следует рассматривать как результат сложного единого процесса, наложения большого числа колебаний температуры на поверхности Земли, с различными периодами и амплитудами, зависящего также от всего комплекса геологических и географических факторов.

6.3. Влияние природных факторов на процесс формирования

мерзлых пород

На процессы формирования сезонно- и многолетнемерзлых пород, влияет целый ряд физико-географических и геологических условий природной среды. Поэтому ниже приведен краткий анализ факторов влияющих на мерзлотные процессы, выполненный В.А. Кудрявцевым.

Так температурный режим пород в значительной степени определяется характером снежного покрова.

Таким образом, в различных климатических условиях снег может играть как отепляющую, так и охлаждающую роль. Его влияние необходимо учитывать при расчетах глубин сезонного и многолетнего промерзания и оттаивания горных пород. Способы оценки и математические формулы расчетов приведены в опубликованной литературе /4,5 и др./.

Рельеф местности оказывает существенное влияние на температурный режим горных пород. С повышением абсолютных отметок на 100 м, среднегодовая температура пород понижается на 0,5⁰С. Увеличение абсолютных отметок, приводит также к изменению годовых амплитуд температур на их поверхности. С повышением абсолютных отметок местности меняется литологический состав горных пород, их влажность, растительный и снежный покровы. В результате температуры пород, в зависимости от абсолютных отметок, могут изменяться на 10-20⁰С по сравнению с температурой пород на уровне моря. На величину теплообмена и глубины промерзания и оттаивания, влияют также экспозиция склонов и их крутизна. В порядке понижения температур горных пород склоны, в зависимости от экспозиции, располагаются в следующей последовательности: южные, юго-западные, северо-восточные и северные. Разница между средними температурами почвы на склонах северной и южной экспозиции увеличивается при возрастании крутизны, или их выполаживании.

Растительный покров оказывает влияние на теплообмен между литосферой и атмосферой и во многом определяет температуры горных пород. Следует отметить и влияние многолетнемерзлых пород на растительные сообщества. Мерзлые толщи и растительные покровы развиваются параллельно, в тесной взаимосвязи, реагируя, и влияя на изменения друг - друга.

На формирование многолетнемерзлых пород большое влияние оказывают поверхностные водотоки и водоемы. Крупные и средние реки и озера являются мощными отепляющими источниками, повышающими температуру мерзлых толщ.

Обычно, под ними формируются подрусловые и подозерные талики. Мелкие водотоки могут оказывать на многолетнемерзлые горные породы охлаждающее влияние / 3 /.

Заболоченность поверхности Земли обычно понижает среднегодовую температуру пород на 0,5-1,0⁰С, по сравнению с сухими участками. Но в районах с мощным снежным покровом (более 1м) может наблюдаться и обратная зависимость.

Большое влияние на температурный режим горных пород оказывают подземные воды. Они обычно оттепляют многолетнемерзлую толщу и вызывают формирование таликов. Подземные воды нередко определяют температурный режим многолетнемерзлых толщ и изменяют его в широких пределах.

Геохимические процессы происходящие в земной коре могут вызывать повышение температуры многолетнемерзлых толщ. К подобному эффекту приводит, например, процесс окисления пирита. К повышению температуры массива мерзлых пород приводят активные радиационные и другие процессы.

На процессы формирования многолетнемерзлых толщ оказывают влияние также влажность и льдистость горных пород и их засоленность. Влажность и льдистость пород оказывают влияние через теплофизические свойства, понижая либо повышая их температурное поле. Засоленность горных пород способствует понижению температуры многолетнемерзлых толщ. Так по данным В.А. Кудрявцева температуры горных пород, под влиянием засоления понижаются от 1-2 до 4-5⁰С.

Таким образом, формирование и динамика развития мерзлых пород определяется современными климатическими условиями, и рядом природных факторов, однако роль этих факторов для формирования сезонно- и многолетнемерзлых пород, различна.