книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

в летнее время, несколько повышает ее зимой, замедляет промер­ зание в холодное время года, а в теплое задерживает прогрева­ ние и, следовательно, оттаивание. Различные компоненты расти­ тельного покрова по-разному влияют на температурный режим почвы и на промерзание и оттаивание. Преобладающие в области мерзлой зоны редкостойные леса с сомкнутостью крон 0,3—0,5 лишь незначительно действуют на температуру и процессы про­ мерзания и протаивания почв, наибольшее влияние на эти про­ цессы оказывает моховой и лишайниковый покров. Особенно сильное теплоизолирующее влияние оказывает напочвенный пок­ ров из зеленых мхов (Pleurozium schreberi, Hylocomium proli­ feram и др.). В летнее время разница среднемесячных температур на глубине 20 см на площадке с моховым покровом и без него достигает 11—15°. Глубина протаивания под моховым покровом в 2—3 раза меньше, чем на участке без него. В весенне-летнее время моховой покров изолирует почву от проникновения теплых потоков, в осенне-зимние месяцы препятствует поступлению в почву холода и ограничивает промерзание. Кустарники, кустар­ нички и травянистая растительность влияют также, но по интен­ сивности воздействия занимают промежуточное место между лесом и мохово-лишайниковым покровом.

Имеющиеся материалы по тундровым и лесотундровым об­ ластям Восточной Сибири и Якутии позволили установить, что с развитием растительности, как правило, уменьшается глу­ бина протаивания н повышается верхняя поверхность мерзлой зоны. Важнейшая причина ужесточения мерзлотного режима — развитие мохового покрова и накопление торфа.

Для северной части тайги Восточной Сибири и Якутии харак­ терны те же процессы. Исследование лесных гарей показало, что при выгорании торфяно-моховых слоев даже на суглинистых почвах глубина протаивания увеличивается на 75—95 см. Отме­ тим, что первое глубокое исследование, оценивающее значение лесных пожаров для динамики мерзлой зоны, выполнено В. Ф. Тумелем в 1939 г. Зарастание гарей и возобновление на них лесных ассоциаций неизменно сопровождаются повышением верх­ ней границы мерзлой зоны. В поймах рек развитие лесной расти­ тельности обычно влечет за собой заболачивание леса и' умень­ шение мощности слоя сезонного протаивания.

. В южной части области распространения мерзлой зоны разви­ тие растительных покровов также является ведущим фактором, определяющим характер мерзлотных процессов в почве. Воз­ никновение мерзлой зоны повсеместно совпадает с развитием лесов со сплошным моховым покровом, темнохвойных сомкнутых лесов, кустарничково-сфагновых или осоково-сфагновых болот. На участках, где развиваются иные растительные сообщества, мерзлая зона не формируется. В дальнейшем мерзлая зона воз­ действует на развитие растительности, способствует заболачи­ ванию и образованию болот п торфяников.

256

Главную роль в развитии мерзлотного процесса в почве играет моховой и торфяной покров. Нарушение такого покрова или его полное уничтожение вызывает деградацию мерзлой зоны.

Растительный покров служит надежным показателем состоя­ ния мерзлых пород. Влияя на растительные покровы, можно в какой-то степени управлять мерзлотными явлениями и про­ цессами. Эта идея была высказана еще М. И. Сумгиным [9, 10]. И. И. Колосков [11, 12] разработал принципы управления тепло­ обменом почвы, которые получили название тепловой мелиорации почв. Работа А. П. Тыртикова подтвердила правильность кон­ цепции П. И. Колоскова. Всякое нарушение, а тем более полное удаление растительного покрова влечет за собой значительное повышение температуры почвы в летнее время. Так, по наблюде­ ниям в районе Игарки и в долине р. Хантанки удаление напоч­ венного покрова и торфяного горизонта в редкостойных лесах увеличивает температуру почвы на глубине 20 см на 6,4—7,3° по сравнению с естественными условиями. Потепление освобож­ денной от растительности почвы в летнее время сопряжено с боль­ шим ее охлаждением зимой. Но с точки зрения интересов сель­ ского или лесного хозяйства даже значительное охлаждение почвы в зимние месяцы не действует отрицательно на производительность участков во время вегетации растений.

Решающим фактором ухудшения почв в пределах мерзлой зоны является развитие мохового покрова и отложения торфа. Для улучшения почвенного климата А. П. Тыртиков [131 предложил осуществлять минерализацию торфяно-моховых пок­ ровов путем внесения извести. Известкование губит мхи, ускоряет минерализацию торфа, повышает плодородие почвы и положи­ тельно влияет на ее тепловой режим. Все это улучшает лесо­ растительные условия и условия для роста трав. В дальнейшем А. II. Тыртиков [8] подтверждает целесообразность минерализа­ ции мохово-торфяных покровов в целях улучшения роста деревьев и указывает, что проведение таких мероприятий в широких мас­ штабах может улучшить климат района.

Растительность как индикатор мерзлых или талых пород. Остановимся на вопросе использования характеристик расти­ тельного покрова для индикации состояния, состава и свойств почв и пород. Роль растительности как индикатора относительна. Эта относительность выражается в том, что в разных условиях один и тот же растительный покров может быть индикатором раз­ личных типов мерзлых пород или даже показателем их отсут­ ствия. Поэтому индикационные свойства растительности уста­ навливаются лишь для конкретного района, для которого в ка­ кой-то степени изучена связь между определенными растительны­ ми сообществами и мерзлотными условиями.

Впервые Б. Н. Городков в 1932—1934 гг. успешно использо­ вал растительность в качестве индикатора мерзлых пород. Он от­ мечал, что в Северном крае торфяники, заросшие угнетенной сос­

ной, свидетельствуют оо отсутствии мерзлых пород, а крупнобугристые безлесные торфяники свойственны районам со споради­ ческим распространением ме,злых пород и указывают та бли­ зость южной границы последних [6].

Растительность может служить индикатором почв, на которых она развивается, и индикатором мощности деятельного слоя 16]. Оо данным МГУ, например, сосняки лишайпиково-толокнянковые при сплошном распространении мерзлой зоны указывают на опесчаненный состав рыхлых отложений или близкое залегание коренных пород, а также на глубокое (по сравне­ нию с другими участками района) летнее протаивание почв и гор­ ных пород (для разных районов от 1,5—2 до 3—4 м). В условиях прерывистого распространения мерзлых пород индикационное значение таких сосняков двоякое: в одних случаях они указывают на отсутствие мерзлых пород, а в других — на глубокое летнее протаивание. Однако сравнивая в одном и том же районе участки

ссосняками и участки с лиственничниками, можно сделать вывод

омерзлотной обстановке этих участков — под сосияками рыхлые

отложения более водопроницаемые, глубины нротаивания больше, среднегодовые температуры выше, чем под лиственничниками [141. На заболоченных участках характер растительности также сви­ детельствует о различных мерзлотных условиях. Массовое раз­ витие на поверхности плотных сфагновых мхов при отсутствии избыточной воды является показателем атмосферного питания болота и малых глубин протаивания (от 0,2 до 0,4—0,6 м). Пре­ обладание на болоте осок и болотных трав с ольхой и ивой ука­ зывает на существование грунтового питания. При маломощной мерзлой зоне для таких болот обычны сквозные талики, при боль­ шой мощности мерзлых пород — несквозпые.

Использование растительности как индикатора мерзлотных условий широко вошло в практику съемочных работ, проводящих­ ся на площадях сплошного и прерывистого распространения мерз­ лых пород. Особенно успешно этот метод применяется для кар­ тирования различного рода таликов. Большой материал о связи растительного покрова с мерзлотными условиями (на примере северной тайги Западной Сибири) собран Н. С. Араловой. По ее данным, индикаторы таликов — леса следующих типов: березняки лишайниковые, лиственничники лишайниковые, сосняки лишай­ никовые, кедровники лишайниковые, березняки травяные, бе­ резняки зеленомоховые.

К лесам-индикаторам мерзлых почв относятся лиственничники зеленомоховые, ельники зеленомоховые, кедровники зеленомо­ ховые.

Кустарничково-лишайниковые болота свидетельствуют о мерз­ лых почвах. Сфагновые болота — индикаторы талых почв.

Ивняки и ольшаники развиваются на талых почвах. Луговая растительность приурочена к участкам, где мерзлые породы от­ сутствуют.

2 58

В заключение следует отметить, что первые исследования слож­ ного и многостороннего взаимовлияния мерзлой зоны и расти­ тельности, осуществленные в начале века Амурской экспедицией Переселенческого управления, положили начало изучению этой проблемы. Основоположник мерзлотоведения М. И. Сумгин сформулировал ряд программных положений по углубленной разработке этой проблемы, энергично настаивал на проведении мерзлотоведческих исследований в этом направлении и содейст­ вовал их развитию.

К настоящему времени многие вопросы взаимовлияния мерз­ лых почв, грунтов и растительности решены и результаты ис­ пользуются в народном хозяйстве. Однако еще больше пред­ стоит сделать.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.С у к а ч е в В. II. Растительность верхней части бассейна реки Тунгара Олекминского округа Якутской области.—«Тр. Амурской экспе­ диции», 1962, т. 1, вып. 16.

4.Г о р о д к о в Б. Н. Растительность Арктики и горных тундр СССР.—

Вкн.: Растительность СССР, т. 1. М., 1938.

5. Д а д ы к и н В. П. Особенности поведения растений на холодных почвах. М., Изд-во АН СССР, 1952.

6 . -Основы геокриологии (мерзлотоведения) ч. 1, гл. X. М., Изд-во АН

СССР, 1959.

7.А б о л и н Р. И. Геоботаническое и почвенное описание Лено-Ви- люйской равнины,—«Тр. по изучению ЯАССР», т. X. М., Изд-во АН

СССР, 1929.

8.Т ы р т и к о в А. П. Влияние растительного покрова на промерзание

и протаивание грунтов. Изд-во МГУ, 1969.

9.С у м г и и М. И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. Влади­ восток, 1927.

10.С у м г и н М. И. К вопросу о перспективах изучения вечной мерзлоты в Якутской республике.—«Тр. Комитета по вечной .мерзлоте», вып. IX. М., Изд-во АН СССР, 1940.

11.К о л о с к о в И. И. Климатические основы сельского хозяйства Амурской области. Благовещенск, 1925,

12.К о л о с к о в И. И. О причинах и следствиях таяния грунтового

льда в Центральной Якутии.— В кн.: Исследования вечной мерзлоты

в Якутии, вып. 2. М., Изд-во АН СССР, 1950.

13.Ты р т и к о в А. И. Вопросы улучшения роста деревьев на севере Западной Сибири,— В кн.: Проблемы Севера, вып. 8. М., Изд-во АН

СССР, 1963.

14.Методика комплексной мерзлотно-гидрогеологической и инженерно­ геологической съемки масштабов 1 : 200 000 и 1 : 500 000, гл. II, § 4. Изд-во МГУ, 1970.

260

Г л а в а X I I

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ МЕРЗЛОТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Предварительные замечания. По своему назначению мерзлот­ ные исследования могут быть подразделены на о б щ и е и с п е ­ ц и а л ь н ы е . К общим относятся в первую очередь различные региональные исследования, включая мерзлотные, мерзлотно­ гидрогеологические и мерзлотно-инженерно-геологические, ре­ жимные наблюдения за динамикой мерзлых пород и подземных вод, изучение криогенных явлений и образований, характери­ стик региональных закономерностей их развития. К с п е ц и ­ а л ь н ы м могут быть отнесены исследования какого-то узкого направления, имеющие целью решение конкретной задачи, свя­ занной с тем или иным объектом строительства. По месту и мето­ дам проведения мерзлотные исследования могут подразделяться

правило, к углубленному изучению полевых материалов в ста­ ционарных условиях, и э к с п е р и м е н т а л ь н ы е . В пос­ леднее время широкое развитие получили исследования методами физического и математического моделирования. Учитывая то об­ стоятельство, что осветить все многообразие современных нап­ равлений, методов и приемов мерзлотных исследований не пред­ ставляется возможным, ниже будут рассматриваться общие воп­ росы мерзлотных съемок, режимных наблюдений, геофизических и геотермических работ.

Мерзлотные съемки. Комплексные съемки, проводимые в целях изучения мерзлотных, гидрогеологических и инженерно-геоло­ гических условий территории, являются одним из наиболее распространенных видов исследований, получивших в последние годы широкий размах. Необходимость унификации приемов проведения этих съемок и получения сопоставимых материалов привела к созданию специальных методических руководств [1, 2] и инструкций [3], кроме того, особенности съемочных работ на территории мерзлой зоны нашли отражение в общих методи­

ческих указаниях по проведению специальных (гидрогеологи­ ческих, инженерно-геологических) съемок [4, 5]. Перечисленные руководства и инструкции приняты за основу настоящего раз­ дела.

Масштаб съемки выбирается в зависимости от ее назначения и площади территории, подлежащей картированию. Наиболее распространенные масштабы 1:50000, 1:200000 и 1:500000. Съемки масштаба 1:50000 и, как исключение, более крупного проводятся при изучении территории, подлежащей застройке или осваиваемой иным образом (строительство водохранилищ и связанных с ними гидротехнических сооружений, трасс магист­ ральных газопроводов, дорог и т. п.). Съемка масштаба 1: 200000 наиболее распространена и используется для получения общей мерзлотной, гидрогеологической и инженерно-геологической характеристики районов горнопромышленного или сельскохозяйст­ венного освоения. Как исключение, в однообразных по геологи­ ческим условиям районах допускается замена съемки масштаба 1: 200 000 съемкой масштаба 1: 500 000. Проведение комплекс­ ной мерзлотной, мерзлотно-гидрогеологической и мерзлотно-ин­ женерно-геологической съемки одновременно и силами единого съемочного отряда (партии) наиболее целесообразно как в эконо­ мическом отношении, так и в отношении получения оптималь­ ных материалов, позволяющих довольно полно восстановить взаимосвязи между мерзлыми породами, подземными водами и различного рода мерзлотными явлениями и образованиями. Конечно, не исключается проведение только мерзлотных, гидрогео­ логических или инженерно-геологических съемок.

Методика проведения съемки, равно как и кондиции, опре­ деляется выбранным масштабом и степенью сложности рай­ она работ. Принципиальное отличие крупномасштабных съемок (1: 50 000 и крупнее) от средне- и мелкомасштабных заключается в том, что в первом случае пункты наблюдений назначаются по определенной сетке на всей картируемой площади, тогда как при мелкомасштабном картировании изучаются детально только так называемые ключевые участки, а остальная часть территории картируется по экстраполяции и косвенным признакам. Кроме того, между ключевыми участками назначаются увязочные мар­ шруты. Поскольку крупномасштабные съемки по объему и нап­ равленности работ примерно отвечают исследованиям на клю­ чевых участках, они специально не рассматриваются.

Выбор ключевых участков, на которых производятся деталь­ ные мерзлотные исследования, осуществляют исходя из категории сложности картируемой территории на основе карты ландшафт­ ного районирования. Соответственно количество ключевых участ­ ков определяется количеством, разнообразием и сложностью выделенных на указанной карте районов, каждый из которых должен быть представительно охарактеризован не менее чем на двух-трех участках. В свою очередь, построение карты ландшафт­

262

ного районирования предусматривает предварительную (на ста­ дии составления проекта) проработку всех имеющихся по району литературных материалов, карт и дешифрирования аэрофото­ снимков, а при необходимости п проведение аэровизуальных наблюдений. Помимо природной обстановки, при выборе ключе­ вых участков целесообразно учитывать их доступность для произ­ водства бурения и геофизических работ и перспективы строи­ тельства на картируемой территории. Не останавливаясь на об­ щей характеристике материалов, используемых для составления карты ландшафтного районирования, заострим внимание лишь на некоторых особенностях применения аэрометодов при мерз­ лотных исследованиях [6].

Эти особенности заключаются в том, что изучение состава, свойств и условий распространения мерзлых пород ведется пре­ имущественно по косвенным признакам дешифрирования компо­ нентов геолого-географической среды исходя из существующих в природе взаимосвязей. В свою очередь, результаты дешифриро­ вания компонентов геолого-географической среды как условий развития мерзлой зоны, выделение по материалам аэрофото­ съемки ключевых участков и экстраполяции полученных данных на идентичные по морфологическому облику территории служат основой мерзлотных карт. Карты, составляемые по материалам аэрофотосъемки, отличаются большой полнотой содержания, объ­ ективностью и точностью отображения на них границ распрост­ ранения, состава, строения мерзлых пород и связанных с ними мерзлотных явлений и образований.

Масштаб аэрофотоснимков, используемых при составлении мерзлотных карт, определяется масштабом съемки:

Камеральное дешифрирование дает максимальный эффект в сочетании с аэровизуальными наблюдениями перед началом полевого сезона и во второй его половине. В некоторых районах интенсивного развития таких мерзлотных явлений, как наледи, большой интерес представляют зимние или ранневесенние аэро­ визуальные наблюдения до начала таяния снежного покрова.

Для получения оптимальной информации по ключевым участ­ кам исследуются:

1)строение, свойства и температурный режим деятельного слоя и слоя годовых колебаний температуры;

2)мощность и прерывистость мерзлой зоны и криолитозоны,

их соотношение на площади и в разрезе, тенденции развития во времени (деградация, аградация) как основа прогнозирования возможных изменений, связанных с освоением территории;

3)состав, сложение, криогенное строение и температуры мерз­ лых пород;

4)криогенные образования и различные инженерно-геологи­ ческие явления;

5) распространение и мощность таликовых зон, их природа и динамика развития, взаимодействие таликов с мерзлыми по­ родами;

6) подземные воды (надмерзлотные, межмерзлотные и под­ мерзлотные) и их взаимодействие между собой, мерзлотно-гидро­ геологическая зональность.

Для исследований в каждом из перечисленных направлений используются различные методы и приемы:маршруты и визуаль­ ное описание обнажений шурфовки и буровые работы, геофизи­ ческие работы, в том числе каротаж и термокаротаж, режимные наблюдения, повторные инструментальные привязки отдельных точек и блоков (например оползневых), дешифрирование аэро­ фотоснимков и фотографирование объектов наблюдений, отбор проб на различные виды анализов, геоботанические наблюдения. Методика проведения этих исследований изложена в упоминав­ шихся руководствах и инструкциях, что позволяет остановиться на них лишь в самых общих чертах.

И з у ч е н и е д е я т е л ь н о г о с л о я представляет ин­ терес для определения формирования температур мерзлых пород,

икрутизна склонов, состав и сложение почв и пород, характер растительности и снежного покрова и т. п.) на формирование температурного п влажностного режима почв и пород деятель­ ного слоя;

в) криогенное строение деятельного слоя, характер льдистости

иее распределение по разрезу;

г) распространение и режим надмерзлотных вод, взаимосвязь с другими типами подземных вод, условия питания и разгрузки.

Как видно из перечисления вопросов, исследование динамики промерзания п протаивания деятельного слоя должно произво­ диться как режимными методами (ход промерзания и протаи­ вания), так и маршрутными, а также путем шурфования. Даль­ нейшая обработка материалов и приведение данных по глубинам протаивания, полученных на маршрутах в различные сроки, к максимальным за весь летний период производится либо рас­ четными методами (см. гл. IV), либо путем выведения соответ­ ствующих эмпирических зависимостей вариационно-статисти­ ческими методами. Например, общее представление о мощности деятельного слоя и динамике его развития до начала промерзания

264

хорошо иллюстрируется распределением точек в системе коорди­ нат время наблюдения — мощность талого слоя. Верхняя огибающая характеризует протаивание деятельного слоя боль­ шой мощности (обычно хорошо фильтрующие породы), нижняя огибающая — деятельного слоя малой мощности (обычно тонко­ дисперсные отложения с моховым покровом). Выделение точек со сходными литолого-почвенными комплексами позволяет зна­ чительно детализировать общую картину.

Исследование подземных вод деятельного слоя можно прово­ дить только в теплый период года, желательно после выпадения дождей, когда надмерзлотный водоносный горизонт обладает наибольшей мощностью и результаты откачек дают более досто­ верную характеристику водных свойств пород деятельного слоя. Эти наблюдения должны дополняться изучением режима надмерзлотного водоносного горизонта, включая исследование хи­ мического состава вод и их минерализации.

Необходимость широкой интерполяции данных, полученных на ключевых участках, на всю площадь съемки требует особой тщательности в расшифровке аэрофотоснимков, поисках типич­ ных дешифровочных признаков, выборе опорных разрезов для детальных исследований и перенесении полученных результатов

и тенденция развития во времени — важнейшие элементы мерз­ лотных исследований общего плана. Конечным итогом исследова­ ния ключевых участков в этом направлении может быть:

а) установление природы и закономерностей развития мерз­ лых пород и таликовых зон в связи с широким комплексом при­ родных факторов, в частности с водоемами и водотоками, про­ цессами инфильтрации и инсоляции, разгрузкой подземных вод по тектоническим зонам или в иных условиях, температурно­ влажностным режимом деятельного слоя и т. и.;

б) выявление этих закономерностей на аэрофотоматериалах и установление дешифровочных признаков мерзлых пород и та­ ликовых зон различного генезиса и положения в рельефе; в) определение взаимосвязей между температурами горных пород на границе слоя годовых колебаний, величиной геотермического градиента в пределах мерзлой зоны и криолитозоны, строением поверхности, в том числе рельефом, характером растительности и почвенного покрова, экспозицией склонов, их увлажнением

и т. п.

Все эти вопросы можно решить в результате проведения комп-* лексных полевых работ, включающих бурение глубоких парамет­ рических скважин и мелких скважин на глубину слоя годовых колебаний температуры, производство каротажа, геоботанические и геофизические исследования. Большая роль отводится изме­

265