Оттаивания и промерзания пород

ЛЕКЦИЯ 7. Распространение основных типов сезонного

Основные закономерности распространения различных типов сезонного оттаивания и промерзания пород в целом по территории России отражены на обзорной карте-схеме (рис. 1), на которой можно последовательно проследить зонально-региональную их смену по устойчивости процесса (по t_ср) и типу климата на поверхности (по А₀).

Рис. 1. Карта-схема распространения типов сезонного оттаивания и промерзания пород на территории РФ и сопредельных государств

Типы сезонного оттаивания по среднегодовой температуре, ⁰С: 1-арктический и полярный (ниже - 10); 2 – устойчивый (- 5÷ -1 0); 3 - длительно-устойчивый и полупереходный (- 1÷ - 5); 4 – переходный и полупереходный (+2÷ -2); 5 – тип сезонного оттаивания и промерзания - полупереходный и длительноустойчивый (1-5). Типы сезонного промерзания по среднегодовой температуре, ⁰С: 6 – устойчивый (5-10); 7 – южный (10-15); 8 – субтропический (15-20). Типы сезонного промерзания и оттаивания пород по амплитуде колебаний температур на поверхности, ⁰С: М – морской (менее 7,5); УМ - умеренно-морской (7,5-11); УК – умеренно-континентальный (11-13,5); К – континентальный (13,5-17); ПК - повышенно-континентальный (17-21); РК – резко-континентальный (21-24); ОРК – особо резко-континентальный (более 24); 9 – граница типов сезонного оттаивания и промерзания пород по среднегодовой температуре; 10 – то же по амплитуде колебаний температур на поверхности; 11 – южная граница распространения многолетнемерзлых пород

В пределах каждого типа, в силу региональной неоднородности природных условий, почти обязательно есть участки с азональными условиями промерзания или оттаивания, свойственные более северным или более южным территориям. Лишь самые северные и самые южные районы страны характеризуются наименьшим диапазоном изменчивости глубин сезонного оттаивания и промерзания, поскольку существующая здесь дифференциация природных условий не приводит к сколько-нибудь значительным изменениям в геокриологической обстановке. Несмотря на то, что в пределах одного региона или даже участка, особенно в криолитозоне, отмечается значительная неоднородность мерзлотных условий, для доминирующих ландшафтов в целом по России распространение различных типов сезонного оттаивания и промерзания пород подчиняется зональным и региональным закономерностям.

Сезонное оттаивание пород.Для обширной территории криолитозоны характерны как зонально-поясное, так секториальное изменение t_ср и, как следствие, пространственная дифференциация различных типов сезонного оттаивания. В целом в связи с закономерным повышением t_ср c севера на юг (на равнинных территориях) и от вершин к долинам (в горных странах) происходит последовательное изменение типов сезонного оттаивания от арктических и полярных до полупереходных и переходных. Для территории многолетнемерзлых пород характерно также повышение амплитуды в восточном направлении при понижении абсолютных отметок в горах. В связи с этим с запажа на восток происходит последовательная смена типов сезонного оттаивания по континентальности – от умеренно-морского в северо-западной части европейской части России до особо-резкоконтинентального в долинах Центральной Якутии, Восточной Сибири и Забайкалья. Диапазон изменения мощности сезонноталого слоя колеблется от первых сантиметров до 3 – 5 м и более. В целом увеличение глубины протаивания пород проходит в соответствии с увеличением летнего теплового потока через поверхность как в южном, так и в восточном направлениях и с понижением высоты местности в горных регионах. Максимальные значения глубины ξ_от формируются в зоне несплошного распространения мерзлых толщ, где преобладают переходные и полупереходные типы сезонного протаивания поверхностных отложений. В пределах развития этих типов оттаивания глубина протаивания слабовлажных грубодисперсных образований в условиях повышенной континентальности может достигать 4 – 5 м. Минимальные глубины протаивания при прочих равных условиях формируются в сильновлажных оторфованных грунтах.

Арктический и полярный типы сезонного протаивания пород, t_ср которых ниже -10⁰С, в пределах европейской территории РФ отмечаются лишь в зоне арктических и ледяных пустынь островов архипелага Земля Франца-Иосифа и высоких (800-1000 м) вершин островов Новая Земля. В азиатской части РФ они формируются на островах Северной Земли и Новосибирских. На северных прибрежных низменностях и вершинах гор Средней Азии преобладают умеренно-морской и умеренно-континентальный типы сезонного оттаивания. Для пояса горных пустынь Арктики и высокогорной Восточной Якутии характерны континентальный и повышенно-континентальный типы сезонного оттаивания. Глубина оттаивания пород в пределах этих территории отличается небольшими значениями (от первых сантиметров до первых десятков сантиметров). Лишь в пределах альпинотипных высокогорий на участках грубодисперсных образований мощность летнего оттаивания может достигать 1 м и более. Эпизодически, в отдельные особо холодные года, оттаивание почв в ряде случаев вообще может отсутствовать.

Длительно-устойчивый и устойчивый типы оттаивания пород, t_ср которых изменяется от -2 до -5, от -5 до -10⁰С, развиты в северо-восточной части европейской территории РФ в высокогорьях Северного и Полярного Урала, на архипелаге Новая Земля, севернее Полярного круга, в Западно-Сибирской низменности, в средней и центральной частях Средней Сибири, практически на всей территории Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также в горной части Забайкалья. По мере продвижения с запада на восток и юго-восток площадь развития этой области закономерно увеличивается. В этом же направлении повышаются амплитуды колебаний температур на поверхности почвы, обусловленные увеличением континентальности климата по мере удаления от Атлантики. Так, на Северо-Востоке европейской территории РФ и в Западной Сибири преобладают умеренно-морской и умеренно-континентальный типы сезонного оттаивания пород. В Средней и Восточной Сибири на поверхности грунта в естественных условиях формируются континентальный и повышенно-континентальный типы оттаивания, а в долинах возможен и особо резко континентальный при отсутствии или разреженности напочвенных покровов. Таким образом, если в европейской части глубина оттаивания влажных суглинистых отложений с t_ср, равной – 5⁰С, не превышает 1 м, то в условиях Средней Сибири глубина летнего оттаивания в аналогичных условиях может достигать 2м. В целом глубина летнего оттаивания в пределах рассматриваемой территории изменяется в широком диапазоне в зависимости от поверхностных и грунтово-влажностных условий. Так, грубообломочные образования в Забайкалье в условиях континентального и резко континентального типов теплообмена на поверхности могут протаивать до 3 м.

Переходный и полупереходный типы сезонного оттаивания пород имеют широкое развитие в области несплошного распространения многолетнемерзлых пород, t_cр которых изменяется от 0 до 2⁰С. Рассматриваемая территория охватывает северную и центральную части Кольского полуострова, Малоземельскую тундру, центральную и южную части Большеземельской тундры, большую часть Северного Урала, центральную территории Западно-Сибирской низменности, практически всю южную часть Средней Сибири, среднегорья Забайкалья, Дальнего Востока и Камчатки. Эти типы сезонного оттаивания и промерзания развиты также на наиболее возвышенных участках Сахалина и Сихоте-Алиньской горной области, преобладают в среднегорьях Саян, Алтая и в высокогорьях Кавказа. Для территорий с такими типами сезонного оттаивания свойственны неустойчивый характер теплового состояния пород, наличие перелетков и несливающейся мерзлоты, частая смена по площади типов сезонного оттаивания и промерзания пород, максимальные значения глубин сезонного оттаивания и промерзания дисперсных отложений, наблюдаемые на территории нашей страны. Так, на Кольском полуострове в условиях умеренно-континентального климата на поверхности почвы в грубодисперсных отложениях глубина оттаивания составляет 2 м. В Западной Сибири в слабовлажных песках глубина сезонного оттаивания увеличивается до 3 м при повышенно континентальном типе протаивания. В горных районах Средней Сибири и Забайкалья в условиях повышенно- и резко континентального режимов температурных колебаний на поверхности мощности сезонноталого слоя грубодисперсных образований могут достигать 3 – 4 м. Мощность сезонномерзлого слоя на участках развития талых пород в тех же регионах составляет 5 – 6м.

Сезонное промерзание пород.Южнее криолитозоны, практически на всей территории области развития талых и немерзлых пород, происходит ежегодное сезонное промерзание верхних горизонтов почв и грунтов. По имеющимся сведениям на территории РФ не отмечена мощность сезонно-мерзлого слоя грубозернистого состава, превышающая 5-6 м, глинистого – более 3-4м, а сложенного торфом – 1-1,5 м. Предельные минимальные значения зимнего промерзания наблюдаются в южных районах и составляют всего первые сантиметры. Распространение типов сезонного промерзания пород по их среднегодовой температуре вне криолитозоны имеет преимущественно широтный характер. Некоторая тенденция смещения в восточном направлении как на европейской территории, так и в Западной Сибири обусловлена общим повышением континентальности в этом же направлении.

Переходный, полупереходный и длительно-устойчивый типы сезонного промерзания пород со среднегодовыми температурами, не превышающими 5⁰С, развиты на Кольском полуострове, в Карелии, в северной части Русской равнины, в Предуралье, Среднем и Южном Урале, а также в центральной и южной частях Западно-Сибирской равнины. На востоке страны сезонномерзлые породы этих типов широко распространены в южных предгорьях Срединного хребта и южной части Камчатки, а также на Курильских островах, в северной и центральной частях Сахалина и в Приморье. На европейской территории амплитуда колебаний температур на поверхности почвы соответствует в целом умеренно-морскому и умеренно-континентальному типам сезонного промерзания с общей тенденцией к увеличению континентальности в восточном направлении. В этом же направлении возрастают и глубины промерзания, изменяясь в слабовлажных песках с t_ср +1⁰С от 2,2 до 2,5м. Южнее, при повышении температуры пород до +5⁰С, глубины сезонного промерзания в таких же отложениях сокращаются до 1-1,5м.

В Западной Сибири при движении в южном направлении в пределах этой зоны отмечается некоторое увеличение (до 3-3,5 м) глубин промерзания. Оно связано с возрастанием амплитуды температурных колебаний на поверхности и уменьшением влажности промерзающих отложений. На европейской территории страны наблюдается сходная картина, прослеживающаяся далее к югу, хотя в количественном отношении приращение мощности сезонномерзлого слоя при движении на юг здесь не превышает 0,5 м.

Устойчивый тип сезонного промерзания почв занимает почти всю европейскую территорию РФ, самую южную часть Западно-Сибирской равнины, юг Сахалина и южные придолинные территории Приморья. В распределении типов промерзания по континентальности климата на поверхности почвы прослеживается определенная последовательная смена их с запада на восток и юго-восток. Так, на европейской территории преобладают умеренно-морской и умеренно-континентальный, а на севере Прикаспия, в предгорьях Южного Урала – континентальный и повышенно-континентальный типы сезонного промерзания пород. В условиях высокотемпературного (-7-9⁰С) устойчивого типа промерзания отмечается максимальная мощность сезонномерзлого слоя, достигающая 2-2,5 м.

Южный тип сезонного промерзания, где среднегодовая температура пород изменяется в диапазоне от 10 до 15⁰С, развит в Причерноморской низменности, Предкавказье, в прикаспийской низменности. В условиях умеренно-морского и умеренно-континентального климата на поверхности почвы в европейской части глубины сезонного промерзания пород, как правило, изменяются от нескольких сантиметров до 0,1-0,3 м. В Прикаспии при континентальном температурном режиме глубина зимнего промерзания может достигать 1м.

Субтропический тип сезонного промерзания пород, t_cp которых выше 15⁰С, развит на южном побережье Крыма, в Закавказье (Куринская низменность), в южной пустынной зоне Средней Азии. Систематическое сезонное промерзание пород на большей части указанных территорий отсутствует. Отмечается лишь кратковременное или суточное (ночное) проявление этого процесса.