Поширення і будова гірських порід багаторічної мерзлоти

Виникнення і тривале існування мерзлих гірських порід на ве­ликій площі суходолу зумовлене низкою причин. Однією з них є існування у минулому на теренах Північної Америки та Євразії по­тужних льодовикових покривів, які проморожували верхню частину літосфери на значну глибину. Під час відступу льодовикових по­кривів відбувалася деградація мерзлих товщ, що поширилася до межі, де середньорічна температура становить близько -1 °С і нижче. Водно­час навіть там, де льодовикові покриви у минулому були відсутні,

наприклад на теренах більшої частини Середнього Сибіру, колишні кліматичні мінімуми спричинили появу мерзлих гірських порід, які існують і нині внаслідок різкоконтинентального клімату і значного вистуджування поверхні Північної Євразії в холодну пору року. Навіть сучасне потепління клімату, притаманне голоценовому періо­ду (приблизно останні 10 тис. років), виявилося нездатним спричи­нити повну деградацію багаторічної мерзлоти.

Поширення мерзлих гірських порід зумовлене не лише суворим кліматом. Значною мірою їхнє виникнення і тривале існування зале­жить від структури і вмісту вологи у породах, характеру рослинності, стійкості снігового покриву та експозиції схилів. Вертикальна по­ясність природних умов зумовлює виникнення мерзлих порід вище за снігову лінію, навіть в умовах відсутності там снігових опадів унаслі­док значної сухості повітря.

У сучасну епоху на гірські породи, що тривалий час перебувають у мерзлому стані («багаторічна мерзлота»), припадає, за винятком Антарктиди та Гренландії, понад 10 % площі земного суходолу (Р. Дж. Райс, 1980). Лише у Північній півкулі площа геокріолітозони стано­вить понад 22 млн км² (рис. 72). У напрямі з півночі на південь вона поділяється на три підзони, майже однакові за площею: 1) суцільно­го поширення порід багаторічної мерзлоти (близько 7,5 млн км²); 2) їхнього диз’юнктивного поширення (близько 7,3 млн км²); 3) спо­радичного поширення мерзлих порід (близько 7,2 млн км²). Півден­на межа геокріолітозони не збігається з якоюсь певною паралеллю, у східних частинах материків, де переважають континентальні умови, вона заходить далеко на південь. Водночас з мерзлотою далеко на південь проникають деякі характерні елементи морфологічного ком­плексу рельєфу цієї зони. Такі морфологічні елементи трапляються далеко за межами свого зонального поширення на так званих орогра­фічних островах у верхніх поясах високогірних країн помірних широт і навіть у тропіках.

Товщина мерзлих гірських порід у геокріолітозоні зазвичай змен­шується в напрямі від полюсів на південь і північ, варіюючи залежно від рельєфу, складу гірських порід, клімату та інших чинників. Вона може сягати десятків і сотень метрів (це типові значення товщини шару багаторічної мерзлоти для районів, охоплених нині господар­ською діяльністю), а рекордні значення спостерігаються в районі верхів’їв р. Мархи в Сибіру (1400—1450 м). Для хребта Удокан (Забайкалля) зафіксовано позначку 900 м, а для Північної Амери­ки — 1000 м (о. Елсмір Канадського архіпелагу).

99. 

100. Рис. 72. Карта поширення багаторічної мерзлоти у Північній півкулі (за І. Щу- кіним, 1960):

101. 1 — зона суцільного поширення постійно мерзлих грунтів; 2 — зона переривчастого поширення постійно мерзлих грунтів; З — зона спорадичного поширення постійно мерзлих грунтів

Лід у мерзлих породах присутній у різних формах: у формі льо­дового цементу (замерзла вода у порах та капілярна вода), льодо­вих включень і великих льодових тіл — лінз або жил. За умова­ми утворення розрізняють син- та епігенетичні породи багаторічної мерзлоти. Сингенетичні мерзлі породи утворюються водночас із нагромадженням осадків, а епігенетичні — після нагромадження порід.

На різній глибині породи багаторічної мерзлоти характеризують­ся певними особливостями. Найближчий до поверхні шар упродовж нетривалого теплого сезону року зазнає відтавання, внаслідок чого в ньому відбуваються надзвичайно сильні порушення. Його товщина коливається у широких межах: від кількох сантиметрів до 3 м залеж­но від різних чинників (географічної широти, рельєфу, експозиції схилів, характеру рослинного покриву, теплопровідності і теплоємності порід, наявності в них різної кількості льоду, наявності чи відсутності шару води, що вкриває їх, тощо). Сезонна динаміка шару багаторіч­ної мерзлоти зумовила назву діяльний шар (рис. 73). Навесні і влітку цей шар зазнає танення, яке починається з поверхні та поширюється вниз, проте внаслідок наявності мерзлої породи тала вода не може вільно проникати вглибину. Однією з найхарактерніших особли­востей, притаманних влітку районам поширення багаторічної мерз­лоти, є наявність водонасичених поверхневих горизонтів гірських порід, що зумовлюється таненням льоду в діяльному шарі та сніготаненням. Восени, коли температура знижується, новий цикл замерзання знову починається з поверхні, внаслідок чого між покрівлею мерзлих порід у глибині та наступаючим фронтом сезонного промерзання виявляєть­ся затиснутим шар рідкої води, і перш ніж увесь діяльний шар за­мерзне, залишки цієї води можуть зазнати значного «кріостатичного» тиску (див. розд. «Вивітрювання»), Товщина діяльного шару має практичне значення для будівництва інженерних споруд і проведен­ня певних агротехнічних заходів у геокріолітозоні.

Починаючи від покрівлі мерзлих порід углиб приблизно до 15 м, гірські породи постійно перебувають у мерзлому стані. Щоправда, температури тут залежно від сезону дещо змінюються, але не до плю­сових. Цей шар називають шаром сезонно змінних мінусових темпе­ратур. Коливання температури також спричинює зміну об’єму порід, що сприяє діяльності процесів формування рельєфу.

Залежно від впливу конкретних чинників розміщені нижче за цей шар гірські породи характеризуються певною постійною температу­рою впродовж року. Це — шар постійних мінусових температур упродовж усього року. Породи шару є справжніми породами багато­річної мерзлоти.

Водночас навіть у підзоні суцільного поширення порід багаторіч­ної мерзлоти трапляються ділянки обмеженої площі, в яких багаторіч­на мерзлота відсутня. Це так звані талики. їхнє існування зумовле­не аномальним нагромадженням тепла у гірських породах та на земній поверхні, внаслідок чого мерзлота деградує (з часом відбувається розмерзання порід). На таких ділянках породи з багаторічною мерз­лотою не формувалися завдяки значному локальному зігріванню гео­логічних шарів, які залягають з поверхні. Талики здебільшого поши­рені під багатоводними ріками та великими озерами, а також у місцях виходу на поверхню з-під мерзлої товщі води у вигляді джерел. Про­те необхідною умовою для нагромадження достатньої кількості теп­ла, яке б перешкоджало промерзанню гірських порід, є розміри озер, які мають бути у поперечнику понад 0,6 км та завглибшки понад 1,8 м і річок, які повинні мати ширину русла понад 0,6 км. Зважаючи на те, що більшість річок Північної Євразії тече з півдня на північ, то легко пояснити факт відсутності мерзлих порід під такими річкови­ми долинами, оскільки з водною масою до геокріолітозони проникає значна кількість тепла. Тому і тайга Сибіру здатна по долинах вели­ких річок просунутися далеко на північ. Значна кількість наскрізних таликів властива гірським районам, іноді вони трапляються у рівнин­них низовинах, що, очевидно, зумовлено динамікою водних потоків у горах та на рівнинах. Талики мають велике гідрогеологічне значення, оскільки крізь них відбувається інфільтрація поверхневих вод до глибоких водоносних горизонтів.

Отже, різноманітність чинників формування рельєфу у зоні по­ширення порід багаторічної мерзлоти є досить значною: кількість опадів тут становить 250 — 300 мм/рік, наявність хоча й нетривало­го, проте безморозного сезону, активне функціонування рослинності впродовж короткого теплого сезону, значне обводнення порід у поверхневих шарах, різноманітні за гранулометричним складом гір­ські породи (більшість, якщо не вся територія зони, перебувала під впливом покривних зледенінь, які залишили тут відклади різ­них розмірів), своєрідність температурного режиму порід у профілі, численні річки, озера й болота, під якими за певних умов існують талики, наявність водовмісних алювіальних відкладів, різні геомор­фологічні умови тощо. Тому можна припустити наявність значного різноманіття так званих кріогенних геоморфологічних процесів, відпо­відної складності їхніх механізмів і багатої та своєрідної морфо- скульптури.