Термодинамическое равновесие.

Макроскопические системы взаимодействующих тел, находящиеся в неизменных условиях достаточно долгое время, самопроизвольно приходят в состояние равновесия, характеризуемое тем, что: 1) в системе прекращаются макроскопические изменения и 2) для изменения такого состояниятребуются внешние воздействия.

Количественно состояние системы характеризуется рядом величин - параметрами состояний (температура, давление, объем и пр.). В состоянии равновесия параметры не меняются. Параметры состояния можно подразделять на внутренние и внешние. Переход системы в состояние равновесия называется релаксацией, а время этого перехода называется временем релаксации.

Излучение, поглощение и отражение лучистой энергии.

Так как теплообмен Земли с внешним пространством происходит главным образом в виде поглощения и изучения лучистой энергии, необходимо рассмотреть закономерности этих процессов.

Тело, на которое падает поток лучистой энергии, может взаимодействовать с последним тремя способами: оно может отражать, поглощать и пропускать сквозь себя лучистую энергию без поглощения.

Физические и физико-химические процессы в замерзающих, мерзлых и протаивающих породах.

Состав и строение мерзлых пород, являясь следтвием и отражением происходящих в них процессов, сами влияют на ход и характер современных процессов. Поэтому исследование состава и строения мерзлых пород в связи с превращениями в них энергии позволяет выяснить условия и закономерности их образования и дает возможность прогнозировать направление их дальнейшего развития.

Основной особенностью состава мерзлых пород является присутствие в них льда в качестве породообразующего минерала. Содержание и текстурные формы льда в мерзлой породе могут изменяться в широких пределах в зависимости от генезиса, состава, строения, влажности пород и термодинамических условий. Как правило, в естественных условиях льдистоть и сложность текстурных форм повышаются с увеличением дисперсности минеральной части мерзлой породы.

Дисперсные мерзлые породы являются сложными многокомпанентными и многофазными системами, в которых можно выделить следующие составляющие:

1) твердую, состоящую из минерального или органоминерального скелета и криогидратных минералов (лед, криогидраты и кристаллогидраты), кристаллизующихся при отрицательной температуре;

2) жидкую, представленную незамерзшей при данной температуре и давлении водой и растворенными в ней солями;

3) газообразную (газы и пары воды в дисперсных породах), находящуюся в порах в свободном состоянии, адсорбированную на свободных активных поверхностях и растворенную в воду.

При рассмотрении минеральной части мерзлых пород целесообразно выделить четыре группы минералов: 1) первичные нерастворимые в воде; 2) вторичные нерастворимые в воде; 3) вторичные растворимые в воде; 4) органические и органо-минеральные соединения.

В мерзлых породах к этим четырем группам добавляется еще и пятая - лед, криогидраты и кристаллогидраты, кристаллизирующиеся при отрицательной температуре.

1. Первичные минералы представлены кварцем, полевым шпатом, слюдами, роговыми обманками и прочими минералами, слагающими изверженные и метаморфические породы.

2. Вторичные нерастворимые глинистые минералы присутствуют в породах в тонкодисперсном состоянии (размеры от 10-5 до 0,001 мм). Это обсулавливает большую удельную поверхность глинистых пород.

3. Вторичные растворимые в воде минералы представлены в дисперсных породах наиболее часто углекислыми солями кальция и магния, сернокислым кальцием, а также хлористыми и сернокислыми солями натрия.

4. Кроме минеральной части, в дисперсных мерзлых породах содержатся органические вещества, накапливающиеся в результате жизнедеятельности растений и животных.

Климат Восточной Сибири

Климатические условия Восточной Сибири в значительной мере определяются ее географическим положением внутри Азиатского материка. Большое влияние на климатические условия района оказывает формирующийся в зимнее время в центре Азии сибирский антициклон - область высокого давления, мощный отрог которого занимает всю Восточную Сибирь. В условиях устойчивого антициклонального типа погоды зима отличается малой облачностью и преобладанием штилей, что влечет за собой сильное выхолаживание. Ясная, суровая, малоснежная, устойчивая и продолжительная зима и довольно засушливое, короткое и жаркое лето - таковы основные черты климата Восточной Сибири. Морозы, например, в районе Верхоянска и Оймякона достигают -60, -70°. Это - самые низкие температуры воздуха, какие наблюдаются на земном шаре, поэтому район Верхоянска и Оймякона называют полюсом холода. Переход температуры воздуха через 0° на крайнем севере наблюдается в середине июня, осенью - в середине сентября, а в южных частях района (Минусинская котловина) - в двадцатых числах апреля и в середине октября. Резко выделяется по своим климатическим условиям засушливая Минусинская котловина; климат ее приближается к климату степей Европейской части СССР.

Осадков выпадает мало. На преобладающей части территории района количество их не превышает 200-400 мм в год. Чрезвычайно бедна осадками Лено-Вилюйская низменность (200 мм). Еще меньше выпадает осадков на севере, в Приполярноморской низменности, где годовая их сумма не превышает 100 мм. Так, например, в районе дельты р. Лены выпадает всего около 90 мм в год. Примерно такое же количество осадков выпадает на островах арктической зоны (Ново-Сибирские острова, остров Врангеля). Более обильны осадки в Саянах, где годовая сумма их достигает 600-700 мм, а местами и 1200 мм.

Большая часть осадков (70-80%) выпадает летом в виде дождей, носящих обычно обложной характер. В холодную часть сода осадков мало - не более 50 мм.

Снежный покров отличается небольшой мощностью; только в бассейне Енисея и в пределах Средне-Сибирского плоскогорья выпадает сравнительно много снега. Менее всего снега выпадает в бассейнах Яны и Индигирки.

В условиях сурового климата Восточной Сибири, с его продолжительной малоснежной и холодной зимой, характерной особенностью района является повсеместное распространение вечной мерзлоты. Мощность вечномерзлотного слоя в северных и центральных районах достигает 200-500 м и более. В южных частях района (Забайкалье, бассейн верхнего Енисея) мощность вечной мерзлоты уменьшается, появляются более или менее значительные участки, лишенные мерзлоты (талики).

Наличие вечной мерзлоты создает сложные гидрогеологические условия. Запасы грунтовых вод на большей части территории Восточной Сибири очень бедны; грунтовые воды представлены преимущественно верховодкой, не участвующей в питании рек. Выходы подмерзлотных вод сравнительно редки и приурочены к областям молодых разломов земной коры и карстовым областям (верховья Алдана).

В ряде мест (Лено-Вилюйская низменность, низменности устьевых участков pp. Колымы и Индигирки и т. д.) встречаются на небольшой глубине от поверхности погребенные льды, занимающие значительные площади; мощность их иногда достигает 5-10 м и более.

Суровый климат и вечная мерзлота определяют своеобразие режима вод территории Восточной Сибири. При полной непроницаемости мерзлых грунтов, малых потерях на фильтрацию и испарение поверхностный сток здесь сравнительно высок, несмотря на малое количество атмосферных осадков. Вечная мерзлота является причиной слабого питания рек грунтовыми водами и широкого распространения явления перемерзания, а также образования наледей. В условиях вечной мерзлоты своеобразно развиваются и эрозионные процессы. Скованные мерзлотой грунты трудно поддаются размыву, поэтому и глубинная эрозия развивается слабо. Преобладает боковая эрозия, ведущая к расширению долин.

Исследования, произведенные в последние годы, показали, что на территории Восточной Сибири значительное распространение имеет современное оледенение. Оно встречается в наиболее возвышенных частях хребтов Верхоянского и Черского - в верховьях бассейнов Яны и Индигирки. Площадь оледенения достигает 600-700 км2, что примерно равно площади современного оледенения Алтая. Размеры ледников небольшие. Самый большой ледник Саунтарской группы (на водоразделе Индигирки и Охоты) имеет длину до 10 км.

Климат Средней Сибири.

Важнейшим следствием резко континентального климата страны является почти повсеместное распространение вечной мерзлоты. Ее формированию способствуют низкие температуры зимы и небольшая, особенно на востоке страны, мощность снежного покрова. В течение холодного времени года горные породы теряют здесь большое количество тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь твердую мерзлую массу. Летом они не успевают целиком оттаять, и отрицательные температуры сохраняются уже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет: содержащаяся в них вода обычно образует линзы, прослои и прожилки льда, обильно насыщающие мерзлую породу. Особенно много таких ледяных включений (иногда до 40-50% объема породы) содержат глинистые и суглинистые отложения северных провинций, отличающихся наиболее низкими постоянными температурами (на глубине 10 м они достигают здесь -8 — 12°).

Южная граница распространения сплошной вечной мерзлоты проходит в Средней Сибири несколько севернее долин Нижней Тунгуски и Вилюя. К северу от этой линии мощность вечномерзлого слоя особенно велика: во многих местах она превышает сотни метров, достигая в бассейне Вилюя 600 м, на побережье Хатангского залива — 800 м, а в бассейне р. Мархи даже 1500 м. В южной половине страны среди участков, скованных мерзлотой, встречаются пространства с талыми грунтами, и распространение мерзлоты постепенно становится островным. На юге заметно уменьшается и мощность мерзлоты: в большинстве районов она уже не превышает 30-50 м, а на крайнем юге Красноярского края составляет всего 5-10 м.

Летом, когда поверхность почвы прогревается, верхний горизонт мерзлой толщи оттаивает. Глубина протаивания в разных районах различна — от нескольких десятков сантиметров на крайнем севере до нескольких метров вблизи южного предела распространения вечной мерзлоты. Мощность слоя талого грунта зависит, кроме того. от его механического состава и характера растительного покрова. Наименьшей она бывает на участках, сложенных торфом или глинистыми породами, особенно в том случае, если они насыщены влагой и покрыты толстым моховым покровом.

Вечная мерзлота оказывает большое влияние на формирование ландшафтов, особенно в северной половине Средней Сибири. Так, например, специфический характер приобретают берега северных морей, сложенные толщами ископаемых льдов; в тундровой зоне и Центральной Якутии образуются просадочные термокарстовые озерные котловины; во многих районах встречаются холмы с ледяные ядром (булгунняхи), морозобойные трещины и бугры пучения. Наличие мерзлоты определяет также особенности режима поверхностных и грунтовых вод. Препятствуя проникновению воды в грунт, она является водоупором и причиной заболоченности равнинных пространств. Весной талые воды быстро скатываются по мерзлому грунту в долины и вызывают высокий подъем уровня рек; летом вода, образующаяся за счет медленного оттаивания ледяных частиц верхних горизонтов мерзлой почвы, служит источником питания водотоков. С вечной мерзлотой связано также образование речных и грунтовых наледей, явлений солифлюкции и т. д.

Там, где мощность оттаивающего летом грунта невелика, он имеет низкую температуру и обильно насыщен влагой, что замедляет процессы разложения растительных остатков и образования почв. Поэтому мерзлотные почвы содержат много неразложившихся остатков растений, сильно увлажнены, а генетические горизонты в них выражены слабо.

Твердая поверхность верхнего горизонта вечной мерзлоты и низкие температуры талого летом грунта ограничивают возможность проникновения корней глубоко в почву. По этой причине они вынуждены распространяться в горизонтальном направлении, в верхних, лучше прогреваемых слоях почвы. Поверхностная корневая система, особенно у даурской лиственницы, делает деревья неустойчивыми против сильных ветров, чем и объясняется большое количество ветроповалов в среднесибирской тайге.

Вечная мерзлота осложняет хозяйственное освоение территории. Особенно много затруднений возникает при гражданском и дорожном строительстве, а также освоении месторождений полезных ископаемых. При выемке грунта даже в разгар лета нужно предварительно оттаивать мерзлую почву, а талая порода обычно представляет собой вязкий и липкий «плывун». При строительстве зданий приходится считаться с угрозой вспучивания их фундаментов или с их неравномерной просадкой, так как во время эксплуатации зданий нарушается температурный режим мерзлоты, грунты подвергаются деформациям, а ледяные включения в них вытаивают. Поэтому фундаменты и опоры здесь приходится заглублять в мерзлый грунт, а дома строить на сваях. Прокладывая железные или шоссейные дороги, строители вынуждены производить много дорогостоящих дополнительных работ, необходимых для того, чтобы избежать разрушения наледями дорожного полотна, и в особенности мостов. Сложны здесь и условия водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий.

Мерзлотно - геологические районы вечной мерзлоты.

Северо-Таймырский район охватывает всю область нагорья Бырранга, вплоть до побережья Карского моря и моря Лаптевых. Находится в подзоне арктической тундры. Сложена палеозойскими метаморфическими осадочными и массивно-кристаллическими (граниты, траппы) горными породами интенсивно дислоцированными. В геотектоническом отношении представляет собой складчатое поднятие, осложненное надвиговыми дислокациями. Область преимущественного поднятия в четвертичный период.

Четвертичные образования представлены морскими, ледово- и ледниково-морскими галечниками, песками, супесями и суглинками (не выше 300 м. Над современным уровнем моря), моренными суглинками (главным образом в долинах верхних частей гор), маломощным аллювием разных фаций в речных долинах, маломощными озерными и болотными отложениями, широко распространенными солифлюкционными образованиями на обширных пологих склонах и различными грубообломочными гравитационными - на более крутых.

Вечно мерзлое состояние коренных пород фиксируется наличием льда в тектонических трещинах. В четвертичных пойменных, озерных, болотных, солифлюкционных отложениях наблюдается сингенетический тип криогенного состояния. В торфяно-иловатых и суглинистых пойменных отложениях обычны массивные решетки полигонально-жильного льда, мощностью до 5-7-10 м. И более в зависимости от мощности пойменного аллювия, свидетельствующие о сингенетичности накопления осадков и льда.

Южно-Таймырский район совпадает с зоной лесотундры и тундры, охватывает территорию Таймырской низменности, которая в геотектоническом отношении представляет собой депрессию - область преимущественного опускания в течение мезо-кайнозоя. Район сложен мощной толщей четвертичных песчано-глинистых, торфяно-иловатых осадков (морских, ледово- и ледниково-морских, аллювиальных, озерных и болотных), подстилаемых мощной толщей песчано-глинистых третичных и мезозойских отложений. В восточной части района (Ноардвик, Хатанга) отложения соленосны.

Район отличается суровым климатом, тундровым ландшафтом и относительно однородными мерзлотными условиями, так как вытянут сравнительно узкой полосой в широтном направлении (отсутствие существенных зональных изменений). Распространение вечной мерзлоты практически сплошное, талики - лишь под дном глубоких озер и под руслом глубоких рек, например Хатанги, Пясины. Мощность ее достигает 400-500 м. и более.

Северо-Тунгусский район охватывает северную часть Средне-Сибирского плоскогорья (к северу от долины реки Подкаменной Тунгуски). Район находится в пределах разреженной тайги, а также характеризуется обширными участками тундры на возвышенных плато. В геотектоническом отношении представляет собой северную часть Сибирской платформы, область преобладавшего поднятия в четвертичный период. Район представлен в основе своей метаморфизированными осадочными свитами палеозоя, слабо нарушенными, прорванными пластовыми интрузиями траппов.

Вечномерзлое состояние свойственно всем типам четвертичных и дочетвертичных горных пород. В коренных породах оно фиксируется присутствием льда в тектонических трещинах. Валунные суглинки содержат мелкие шлиры и гнезда льда, а также крупные остаточные глыбы погребенного глетчерного льда (Норильские горы). Солифлюкционные и делювиальные суглино-супеси со щебнем коренных пород на склонах нередко характеризуется сингенетическим типом строения - тонкими горизонтальными и вертикальными шлирами льда в пределах всего пласта.

Возраст вечномерзлотных толщ на плато и высоких надпойменных террасах в речных долинах - плейстоценовый; на низких террасах и современной пойме - голоценовый. Вечномерзлые моренные образования с погребенным глетчерным льдом - наследие ледникового времени.

Лено-Вилюйский район охватывает Ленскую и Вилюйскую аллювиальные равнины. В основе сложен главным образом кембрийскими и юрскими песчано-глинистыми, известняковыми и песчано-глинистыми, известняковыми и песчаниковыми отложениями платформенного типа. Третичные песчано-глинистые отложения миоцена или плиоцена встречаются эпизодически.

Четвертичные отложения представлены аллювием разных фаций, от русловой песчано-галечной до пойменной-суглинистой и глинистой с растительными осадками и полигонально-жильным льдом. Аллювий слагает как древние террасы, обычно с цоколем из дочетвертичных пород, превышающие современный уровень Лены и Вилюя на 120 м. и более и имеющие несомненно плейстоценовый возраст, так и более низкие, позднеплейстоценовые и голоценовые, вплоть до современной поймы.

Возраст вечномерзлых толщ наиболее высоких террас равнины -плейстоценовый, более низких террас - средне- и верхнеплейстоценовый и самой низкой надпойменной террасы и современной поймы - гоглоценовый. Присутствие полигонально-жильного льда, синхронного террасовым осадкам, позволяет считать возраст вечной мерзлоты Центральной Якутии, вопреки часто высказываемым мнениям, достаточно древним - раннеплейстоценовым. Чем моложе терраса, тем моложе вечная мерзлота.

Южно-Тунгусский район охватывает южную часть Средне-Сибирского плоскогорья. Район таежный. В геотектоническом отношении относится к Среднесибирской платформе. Северной границей района условно считается долина реки Подкаменная Тунгуска. Район представлен в основе своей плотными метаморфическими осадочными свитами палеозоя, слабо нарушенными, прорванными пластовыми интрузиями траппов.

Четвертичные отложения представлены маломощными делювиальными образованиями на склонах и террасовым русловым песчано-галечным и пойменным суглинистым лессовидным аллювием - в долинах. Иногда мощность аллювия достигает нескольких десятков метров. Поверхность плоских или пологоволнистых водоразделов плоскогорья часто перекрыта маломощным суглинисто-щебнистым элювиально-делювиальным чехлом.

Возраст вечной мерзлоты в отдельных местах на плато, на высоких надпойменных террасах рек возможно плейстоценовый; на низких террасах - голоценовый.

Роль вечной мерзлоты в инженерной промышленности.

Дать правдивое и стройное описание этапов и путей становления геокриологии и отразить в этом описании действительные заслуги стран и лиц, способствовавших познанию многолетней криолитозоны как географического явления, - значит решить актуальную и весьма сложную задачу.

В истории развития инженерной геокриологии (мерзлотоведения) можно выделить два периода и несколько этапов.

1.1. Дореволюционный период.

I этап. Местным жителям района распространения многолетнемерзлых пород несомненно было известно об их существовании, т.к. им приходилось сталкиваться с мерзлыми породами при постройке своих жилищ, во время охоты и рыбной ловли, при хранении добычи (мяса, рыбы). В литературе первые сведения о мерзлых породах стали появляться, по-видимому, лишь с ХVI века.

В ХVII веке в связи с продвижением русских на восток и север Сибири в Москву стали поступать первые сведения о мерзлых породах севера Сибири.

Первое обобщение данных о мерзлых породах принадлежит русскому историку и географу начала ХVIII века В.Н. Татищеву. В своих трудах он пишет о наличии мерзлых пород.

II этап. Это было время накопления фактов и первых научных обобщений М.В.Ломоносова о "замерзлой земле". В 1757 г. М.В. Ломоносов высказываем ряд интересных научных положений о природе образования "замерзлой земли", о значении рельефа и суровых климатических условий в развитии толщ мерзлых пород и создании запасов холода и подземных льдов, о длительности этого процесса, о необходимости учитывать строение "внутренности земли" для понимания распределения тепла и холода в земных недрах. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой, между внутренним и внешним холодом. В этот период были получены материалы о мерзлых грунтах в Якутии, Забайкалье и других районах.

В первой половине XIX в. на севере европейской части России мерзлую зону изучал Шренк.

В 1828 г. Ф. Шергин, служащий русско-американской компании, закончил проходку "колодца" в Якутске, он за 9 лет достиг глубины 116,4 м. Так была создана знаменитая Шергинская шахта, которая прошла часть толщи мерзлых пород.

Итак, в первой половине XIX в. были получены данные о температуре мерзлой зоны и ее мощности, условиях залегания и распространения на больших площадях Сибири.

III этап. Этот этап отмечен широкой волной исследований вечной мерзлоты как в пределах Евразии, так и в Северной Америке и на островах Северного Ледовитого океана. Эти исследования связаны с именами Лопатина, Обручева, Львова, Сумгина и многих других инженеров-географов и геологов. Потребность всестороннего глубокого изучения подземной криосферы Сибири была в этот период вызвана усилением сельскохозяйственного и промышленного освоения ее территории, строительством Великой Транссибирской железнодорожной магистрали, развитием горного дела. Незнание законов развития вечной мерзлоты повлекло за собой деформацию и разрушения некоторых инженерных сооружений и в связи с этим большие убытки.

1.2. Послереволюционный период.

I этап. В Москве создается научный центр по изучению подземной криосферы.

После Великой Октябрьской социалистической революции начался новый период развития мерзлотоведения как самостоятельной науки, созданной трудами советских мерзлотоведов. Было положено начало планомерным и целенаправленным исследованиям вечной мерзлоты и организованы научные органы для проведения этих исследований.

В 1936 г. КИВМ была реорганизована АН СССР в Комитет по вечной мерзлоте, созвавший в 1939 г. VI Всесоюзную конференцию по мерзлотоведению. Работы Комитета непосредственно в районах вечной мерзлоты носили преимущественно стационарный характер, что позволило еще глубже проникнуть в механизм формирования и развития мерзлых пород.

Таким образом, накануне Великой Отечественной войны Институт мерзлотоведения (г. Москва) стал ведущим учреждением по вопросам изучения мерзлых горных пород и подземной криосферы СССР.

II этап. В 1953 г. на геологическом факультете МГУ была организована первая в мире кафедра мерзлотоведения, ставшая важным центром подготовки специалистов-мерзлотоведов и ведущая большой объем научно-исследовательских работ в этой области.

В 1956г. на VII "Межведомственном совещании по мерзлотоведению было представлено 89 научных и производственных учреждений, в том числе 45 организаций, работающих вне Москвы.

III этап. Института мерзлотоведения АН СССР было реорганизовано в Институт мерзлотоведения Сибирского отделения АН СССР. Московский институт мерзлотоведения был при этом упразднен, а его отделы были переданы в ПНИИИС Госстроя СССР.

В 1966 г. было созвано VIII Всесоюзное межведомственное совещание по геокриологии (мерзлотоведению) с участием многочисленных научных институтов и производственных организации, а также ученых из Монголии, Польши и Чехословакии.

Совет по криологии Земли АН СССР провел большую работу по созыву в 1973 г. в Якутске II Международной конференции по мерзлотоведению, которая подвела итоги современного мерзлотоведения и наметила пути его дальнейшего развития в международном аспекте. III Международная конференция по мерзлотоведению была проведена в Канаде в 1978 г.